巩固我们未来基础设施的可持续性的秘密可能来自于自然，比如蛋白质，它可以防止植物和动物在极冷的条件下结冰。科罗拉多大学博尔德分校的研究人员发现，一种基于天然抗冻蛋白的合成分子可以将冻融破坏降到最低，提高混凝土的强度和耐久性，提高新基础设施的寿命，并在其使用寿命内减少碳排放。

 

他们发现，在混凝土中加入一种仿生分子——一种模仿在北极和南极生物体中发现的抗冻化合物的分子——可以有效地防止冰晶的生长和随后的破坏。今天发表在《细胞报告物理科学》(Cell Reports Physical Science)上的这一新方法，挑战了70多年来减轻混凝土基础设施冻害的传统方法。

 

“没有人认为混凝土是一种高科技材料，”这项新研究的作者、土木、环境和建筑工程助理教授威尔·斯鲁巴尔三世(Wil Srubar III)说。“但它比人们想象的要高科技得多。面对气候变化，我们不仅要注意如何制造混凝土和其他在生产过程中排放大量二氧化碳的建筑材料，还要注意如何确保这些材料的长期韧性，这一点至关重要。”

 

混凝土是由水、水泥粉和各种集料，如沙子或砾石混合而成的。

 

自20世纪30年代以来，人们就在混凝土中放入小气泡，以保护混凝土免受水和冰晶的破坏。这使得任何渗入混凝土的水在结冰时都有膨胀的空间。没有它，受损的混凝土表面就会剥落。

 

但是这个精细的过程是有代价的，会降低强度和增加渗透性。这使得道路盐和其他化学物质渗透到混凝土中，然后可以降解嵌入其中的钢材。

 

斯鲁巴尔说:“当你解决一个问题时，你实际上是在加剧另一个问题。”

 

由于美国面临着全国各地大量老化的基础设施，每年都要花费数十亿美元来减轻和防止损害。然而，这种新的仿生分子可以显著降低成本。

 

在试验中，用这种分子——而不是气泡——制成的混凝土表现出了同等的性能、更高的强度、更低的渗透性和更长的寿命。

 

Srubar公司正在申请专利，杏耀主管希望这种新方法能在未来5到10年内进入商业市场。

 

大自然总有办法

 

从南极洲冰冷的水域到冰冷的北极冻土带，许多植物、鱼类、昆虫和细菌都含有防止结冰的蛋白质。这些抗冻蛋白在冰晶形成的那一刻就与冰晶的表面结合在一起，使得冰晶非常非常小，不会造成任何伤害。

 

“我们认为这很聪明，”斯鲁巴说。“大自然已经找到了解决这个问题的方法。”

 

混凝土也存在冰晶形成的问题，之前的工程师曾试图通过增加气泡来缓解这一问题。所以Srubar和他的团队想:为什么不收集一些这种蛋白质，并把它放入混凝土中呢?