ในขณะที่โลกกำลังต่อสู้กับ อากาศเปลี่ยนแปลงเราต้องหาวิธีลด CO ของเราอย่างเร่งด่วน? การปล่อยมลพิษ ภาคส่วนที่ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างมาก เช่น พลังงานและ การบินมักถูกมองว่าเป็นผู้กระทำผิดที่เลวร้ายที่สุด แต่สิ่งที่คนส่วนใหญ่ไม่รู้ก็คือมีผู้ร้ายอีกคนซ่อนตัวอยู่ในสายตา บนถนนในเมืองของเรา และในอาคารที่เราอาศัยและทำงาน

ในปี 2007 เพียงลำพัง เหล็กและคอนกรีต แต่ละคนมีความรับผิดชอบต่อ CO มากขึ้นหรือไม่? การปล่อยก๊าซเรือนกระจกมากกว่าอุตสาหกรรมการบินทั่วโลกทั้งหมด ก่อนถึงสถานที่ก่อสร้าง ทั้งเหล็กและซีเมนต์จะต้องผ่านกระบวนการแปรรูปที่อุณหภูมิสูงมาก และใช้พลังงานมาก แล้วเราจะลดการพึ่งพาวัสดุ "สกปรก" เหล่านี้ได้อย่างไร ในเมื่อมันมีบทบาทสำคัญในการก่อสร้าง?

ทางเลือกหนึ่งคือการใช้วัสดุธรรมชาติ เช่น ไม้ มนุษย์สร้างด้วยไม้เพื่อ หลายพันปี, และโครงสร้างไม้คือ กำลังประสบกับการฟื้นตัวเล็กน้อย – ส่วนหนึ่งเพราะเป็นวัสดุราคาถูกและยั่งยืน

แต่ก็มีบ้าง ข้อเสียของการสร้างด้วยไม้; วัสดุสามารถบิดงอได้ในสภาพที่มีความชื้นและไวต่อการโจมตีจากศัตรูพืชเช่นปลวก และในขณะที่วัสดุธรรมชาติ เช่น ไม้ น่าสนใจจากมุมมองด้านสิ่งแวดล้อม แต่ก็อาจไม่น่าพอใจสำหรับวิศวกรที่อาจต้องการทำส่วนประกอบในรูปทรงหรือขนาดที่เฉพาะเจาะจง

คัดลอกชีวิต

แล้วถ้าเราสร้างวัสดุใหม่ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติแทนที่จะใช้วัสดุจากธรรมชาติล่ะ? แนวคิดนี้เริ่มได้รับแรงฉุดจากชุมชนการวิจัยในปี 1970 และปะทุขึ้นอย่างมากในปี 1990 ด้วยการพัฒนาของ นาโนเทคโนโลยีและวิธีการผลิตนาโน. ปัจจุบันนี้ เป็นพื้นฐานของการวิจัยทางวิทยาศาสตร์สาขาใหม่ กล่าวคือ "ไบโอมิเมติกส์" หรือ "การลอกเลียนแบบชีวิต" อย่างแท้จริง

เซลล์ชีวภาพมักถูกเรียกว่า “รากฐานของชีวิต” เพราะพวกมันเป็นหน่วยของสิ่งมีชีวิตที่เล็กที่สุด แต่ในการสร้างสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์เช่นคุณหรือฉัน เซลล์ต้องจับกลุ่มกันพร้อมกับโครงสร้างที่รองรับเพื่อสร้างวัสดุชีวภาพที่เราสร้างขึ้น เนื้อเยื่อ เช่น กระดูก กระดูกอ่อน และกล้ามเนื้อ เป็นวัสดุในลักษณะนี้ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ที่สนใจเรื่องไบโอมิเมติกส์ได้หันมาหาแรงบันดาลใจ

ในการสร้างวัสดุชีวจำลอง เราจำเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งถึงวิธีการทำงานของวัสดุธรรมชาติ เรารู้ว่าวัสดุธรรมชาติเป็น "คอมโพสิต" ด้วย: ทำจากวัสดุพื้นฐานที่แตกต่างกันหลายแบบ โดยแต่ละชนิดมีคุณสมบัติต่างกัน วัสดุคอมโพสิตมักจะมีน้ำหนักเบากว่าวัสดุที่มีส่วนประกอบเดียว เช่น โลหะ ในขณะที่ยังคงมีคุณสมบัติที่ต้องการ เช่น ความแข็ง ความแข็งแรง และความเหนียว

การทำวัสดุชีวภาพ

วิศวกรด้านวัสดุใช้เวลาหลายทศวรรษในการวัดองค์ประกอบ โครงสร้าง และคุณสมบัติของวัสดุธรรมชาติ เช่น กระดูกและเปลือกไข่ ดังนั้นเราจึงเข้าใจคุณลักษณะของวัสดุเหล่านี้เป็นอย่างดี

ตัวอย่างเช่น เรารู้ว่ากระดูกประกอบด้วยโปรตีนและแร่ธาตุที่ให้ความชุ่มชื้นในสัดส่วนที่เกือบเท่ากัน แร่ธาตุให้ความแข็งและความแข็ง ในขณะที่โปรตีนให้ความเหนียวและความต้านทานต่อการแตกหัก แม้ว่ากระดูกจะหักได้ แต่ก็ค่อนข้างหายากและมีประโยชน์ในการเป็น การรักษาตัวเอง – คุณสมบัติอื่นที่วิศวกรพยายามนำมาสู่วัสดุชีวจำลอง

เช่นเดียวกับกระดูก เปลือกไข่เป็นวัสดุคอมโพสิต แต่มีแร่ธาตุประมาณ 95% และมีโปรตีนไฮเดรดเพียง 5% เท่านั้น ถึงแม้ว่าโปรตีนเพียงเล็กน้อยก็เพียงพอที่จะทำให้เปลือกไข่แข็งมาก เมื่อพิจารณาถึงความบางของไข่ – ตามที่ผู้ทำอาหารเช้าส่วนใหญ่จะสังเกตเห็น ความท้าทายต่อไปคือการเปลี่ยนความรู้นี้ให้เป็นสิ่งที่แข็งแกร่ง

มีสองวิธีในการเลียนแบบวัสดุธรรมชาติ ไม่ว่าคุณจะเลียนแบบองค์ประกอบของวัสดุเอง หรือคัดลอกกระบวนการที่ใช้ทำวัสดุนั้น เนื่องจากวัสดุธรรมชาติสร้างขึ้นโดยสิ่งมีชีวิต ไม่มีอุณหภูมิที่สูงในวิธีการเหล่านี้ ด้วยเหตุนี้ วัสดุชีวภาพที่เรียกว่า "นีโอโบน" และ "เปลือกไข่นีโอ" จึงใช้พลังงานในการผลิตน้อยกว่าเหล็กกล้าหรือคอนกรีตมาก

ในห้องปฏิบัติการเราประสบความสำเร็จในการทำ ตัวอย่างมาตราส่วนเซนติเมตร ของนีโอโบน เราทำได้โดยการเตรียมสารละลายโปรตีนต่างๆ กับส่วนประกอบที่สร้างแร่ธาตุจากกระดูก จากนั้นวัสดุคอมโพสิตนีโอโบนจะถูกสะสมจากสารละลายเหล่านี้ในลักษณะไบโอมิเมติกที่อุณหภูมิของร่างกาย ไม่มีเหตุผลใดที่กระบวนการนี้ – หรือเวอร์ชันที่ปรับปรุงและเร็วขึ้น – ไม่สามารถขยายไปสู่ระดับอุตสาหกรรมได้

แน่นอนว่า เหล็กและคอนกรีตมีอยู่ทั่วไป ดังนั้นวิธีที่เราออกแบบและสร้างอาคารจึงเหมาะสำหรับวัสดุเหล่านี้ เพื่อเริ่มใช้วัสดุชีวมิติในวงกว้าง เราต้องคิดใหม่ทั้งหมดเกี่ยวกับรหัสอาคารและมาตรฐานสำหรับวัสดุก่อสร้าง แต่ถ้าเราต้องการสร้างเมืองในอนาคตด้วยวิธีที่ยั่งยืน บางทีการคิดใหม่ครั้งใหญ่ก็เป็นสิ่งที่จำเป็นจริงๆ วิทยาศาสตร์ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเราไม่สามารถฝันใหญ่เกี่ยวกับอนาคตได้