自分自身をデザインする

2015 年 3 月 24 日

ケンブリッジ大学著

自己修復する道路、応急処置用の泡で満たされた橋、動脈のある建物…未来的な空想ではなく、「スマート」コンクリートによる非常に現実的な可能性です。

皮膚は再生可能で自己修復性があり、日常生活での磨耗に対する私たちの防御の第一線です。 損傷を受けると、体を保護し治癒するために無数の修復プロセスが作動します。 凝固因子が傷口を塞ぎ、感染から傷を保護するためにかさぶたが形成され、治癒剤が新しい組織を生成し始めます。

この注目に値する生きた医療パッケージからインスピレーションを得て、研究者たちは、損傷の感知と修復をまったく異なる素材であるコンクリートに組み込むことができるかどうかを検討しています。

彼らの目標は、あらゆる種類の物理的および化学的損傷に何度も自己修復することで対応する、内蔵の応急処置システムを備えた「生命の材料」を生産することです。

自己修復材料は、2013 年に世界経済フォーラムによってトップ 10 の新興技術の 1 つに選ばれ、安全性と寿命に利点をもたらす航空宇宙産業で積極的に研究されています。 しかし、おそらく、自己修復の効果が最も広範囲に及ぶ可能性がある分野の 1 つは、コンクリートベースの建設業界でしょう。

建物、橋、高速道路、貯水池ダムなど、どこにでもコンクリートが使われています。 基礎、トンネル、地下の核廃棄物施設、油井やガス井など、目に見えない場所にも存在します。 コンクリートは水に次いで地球上で 2 番目に多く消費される製品です。 1 トンあたり、鉄鋼、アルミニウム、プラスチック、木材を合わせた量の 2 倍の量が年間で使用されます。

しかし、ほとんどのものと同様、コンクリートにも寿命があります。 「伝統的に、土木工学には、さまざまな有害事象にもかかわらず構造物の安全性を確保するために、設計の冗長性が組み込まれてきました。しかし、長期的には、修理と最終的な交換は避けられません」と、同研究所のアビル・アル・タッバー教授は述べた。工学部および研究プロジェクトのケンブリッジ部分のリーダー。

英国は、既存の主にコンクリート構造物の修理とメンテナンスに年間約 400 億ポンドを費やしています。 しかし、コンクリート構造物の修理や交換は混乱を引き起こし、セメント製造から生じるすでに高レベルの二酸化炭素排出の一因となります。 すべての新築および修復されたコンクリート構造物、そして実際にはグラウトやモルタルを含むあらゆるセメントベースの材料の寿命が、自己修復によって平均数十年からその 2 倍、またはそれ以上に延長できたらどうなるでしょうか?

2013年、ケンブリッジの研究者らは、カーディフ大学（プロジェクトを主導）およびバース大学の同僚と協力して、新世代の「スマート」コンクリートおよびその他のセメントベースの建築材料を開発した。

「この分野におけるこれまでの試みは、被害のマルチスケール、空間的、時間的性質に対して部分的な解決策しか提供しない個々の技術に焦点を当てていた」とアル・タッバー氏は説明した。 対照的に、工学および物理科学研究評議会によって資金提供されたこの研究は、同じコンクリート片で複数の「ヘルスケア パッケージ」を組み合わせる利点を検討する刺激的な機会を提供します。

「皮膚で起こる多くのプロセスと同様に、テクノロジーの組み合わせにより、コンクリートをさまざまな規模の損傷から保護できる可能性があり、さらに、これを時間の経過とともに治癒剤の『再補充』が可能になる方法で実現できるのです」と彼女は述べた。追加した。

機械的損傷により亀裂が生じ、水が浸入する可能性があります。 凍結と解凍によって亀裂がさらに広がる可能性があります。 コンクリート中のカルシウムが水中に失われると、脱灰した部分がもろくなる可能性があります。 また、亀裂が鉄筋に水が到達するほど深くなると、腐食と崩壊が構造の終焉をもたらします。

ケンブリッジのチームは、ミネラルベースの治癒剤を大量に含んだ革新的なマイクロカプセルを開発することで、ナノ/マイクロスケールの損傷に取り組んでいます。 これは、泡の中に救急箱を入れているようなものです。物理的および化学的トリガーによってカプセルが壊れ、治癒剤と密閉剤が放出されて病変を修復するという考えです。

「食品香料や医薬品から化粧品や洗浄製品に至るまで、他の用途向けにさまざまなカーゴおよびシェル材料が開発されていますが、それらは一般にセメントベースのマトリックスには適用できず、コンクリートに使用するにはあまりにも高価すぎるため、当社は独自の開発が必要でした」とアル・タッバー氏は説明した。

もう 1 つの課題は、カプセルがセメントミキサーでの混合に耐えるのに十分な強度を持ちながらも、たとえ小さな骨折でも壊れるほど十分に壊れやすいものであることを確認することです。 建設での使用に必要な大量のカプセルを供給できるようにスケールアップできる革新的なカプセル製造技術が研究されています。

並行して、バースのチームは、セメントに添加された栄養素を摂食し、コンクリートの亀裂を塞ぐ方解石の沈殿を促進する、小さな鉱物生産工場として機能する胞子形成バクテリアによる中規模のマイクロ/メソスケールでの治癒を研究している。 。 ケンブリッジで開発されているカプセルを含め、セメントマトリックス内に細菌や栄養素を収容して保護するためのさまざまな技術が研究されています。

カーディフ大学の研究者らは、「形状記憶」プラスチック腱をセメント母材に組み込んで、熱による腱の収縮を引き起こしてより大きなメソ/マクロスケールでの大きな亀裂を閉じる研究を行っている。

そして、プロジェクトチームは、自己修復成分が継続的に補充されるように、生物の循環系のような中空管の血管ネットワークを作成することで、繰り返される損傷に共同で取り組んでいます。

ケンブリッジの研究者らは、マイクロカプセルの最適な配合に近づくにつれ、数トンのセメントを播種するのに必要なレベルまで生産をスケールアップできる企業との協力を開始した。 一方、3 つの研究グループは、自己修復能力を最大限に高める最適なレシピを見つけるために、それぞれの技術の組み合わせのテストも開始しています。

2015 年の夏までに、業界パートナーの協力を得て、さまざまな実際の環境や実際の損害シナリオで最も有望な組み合わせシステムをフィールド試験でテストし、改良する予定です。 これには、工学部の新しいジェームズ・ダイソンビルの非構造要素でのテストが含まれます。

「本当にエキサイティングになるのはこれからだ」とアル・タバア氏は語った。 「真の自己修復性を発揮するには、コンクリートが長期スケールで本質的に多次元的な損傷に対応できる必要があります。私たちは、コンクリートが傷ついたときに何度でも自己修復できる生命の素材であってほしいと考えています。」

ケンブリッジ大学提供