Le infrastrutture supportano e facilitano la nostra vita quotidiana - pensa alle strade su cui guidiamo, ai ponti e ai tunnel che aiutano a trasportare persone e merci, agli edifici per uffici in cui lavoriamo e alle dighe che forniscono l'acqua che beviamo. Ma non è un segreto che l'infrastruttura americana sta invecchiando e ha un disperato bisogno di riabilitazione.
Le strutture in cemento armato, in particolare, soffrono di un grave deterioramento. Le crepe sono molto comuni a causa di vari fenomeni chimici e fisici che si verificano durante l'uso quotidiano. Il calcestruzzo si restringe mentre si asciuga, il che può causare incrinature. Può rompersi quando c'è movimento al di sotto o grazie ai cicli di congelamento / scongelamento nel corso delle stagioni. Il solo peso eccessivo può causare fratture. Ancora peggio, le barre d'acciaio incorporate nel calcestruzzo come rinforzo possono corrodersi nel tempo.
Le crepe molto piccole possono essere piuttosto dannose perché forniscono un percorso facile per liquidi e gas e le sostanze nocive che potrebbero contenere. Ad esempio, le micro-crepe possono consentire all'acqua e all'ossigeno di infiltrarsi e quindi corrodere l'acciaio, causando guasti strutturali. Anche una sottile frattura della larghezza di un capello può permettere a abbastanza acqua di minare l'integrità del calcestruzzo.
Ma i continui lavori di manutenzione e riparazione sono difficili perché di solito richiedono un'enorme quantità di lavoro e investimenti.
Quindi, dal 2013, ho cercato di capire come queste dannose crepe potessero guarire se stesse senza l'intervento umano. L'idea è stata originariamente ispirata dalla straordinaria capacità del corpo umano di guarire se stesso da tagli, contusioni e ossa rotte. Una persona assorbe i nutrienti che il corpo usa per produrre nuovi sostituti per curare i tessuti danneggiati. Allo stesso modo, possiamo fornire i prodotti necessari al calcestruzzo per riempire le crepe quando si verificano danni?
I miei colleghi della Binghamton University, Guangwen Zhou e David Davies, Ning Zhang della Rutgers University e io abbiamo trovato un insolito candidato per aiutare il calcestruzzo a guarire se stesso: un fungo chiamato Trichoderma reesei .
I ricercatori hanno esaminato una serie di funghi in cerca di un candidato che potesse aiutare a colmare le crepe del calcestruzzo. (Congrui Jin, CC BY-ND) Inizialmente abbiamo selezionato circa 20 diverse specie di funghi per trovarne una in grado di resistere alle dure condizioni del calcestruzzo. Alcuni abbiamo isolato dalle radici delle piante che crescevano in terreni poveri di nutrienti, tra cui il New Jersey Pine Barrens e le Montagne Rocciose canadesi in Alberta.
Abbiamo scoperto che quando l'idrossido di calcio del calcestruzzo si dissolveva nell'acqua, il pH del nostro mezzo di crescita fungina è aumentato da un valore originale quasi neutro di 6, 5 fino a un 13, 0 molto alcalino. Di tutti i funghi che abbiamo testato, solo T. reesei poteva sopravvivere in questo ambiente. Nonostante il drastico aumento del pH, le sue spore hanno germinato in micelio ifale filiforme e sono cresciute ugualmente bene con o senza cemento.
Una volta che le spore (a sinistra) germinano con l'aggiunta di acqua, crescono in micelio ifale filiforme (a destra). (Congrui Jin, CC BY-ND) Proponiamo di includere spore fungine, insieme a sostanze nutritive, durante il processo iniziale di miscelazione quando si costruisce una nuova struttura in cemento. Quando si verifica l'inevitabile crack e l'acqua penetra, le spore fungine dormienti germogliano.
Man mano che crescono, fungeranno da catalizzatore nelle condizioni ricche di calcio del calcestruzzo per promuovere la precipitazione dei cristalli di carbonato di calcio. Questi depositi minerali possono riempire le crepe. Quando le fessure vengono completamente stuccate e non entra più acqua, i funghi formeranno di nuovo le spore. Se si formano nuovamente crepe e le condizioni ambientali diventano favorevoli, le spore potrebbero svegliarsi e ripetere il processo.
T. reesei è ecologico e non patogeno, non presenta rischi noti per la salute umana. Nonostante la sua presenza diffusa nei suoli tropicali, non ci sono segnalazioni di effetti avversi su piante o animali acquatici o terrestri. Infatti, T. reesei ha una lunga storia di utilizzo sicuro nella produzione su scala industriale di enzimi di carboidrasi, come la cellulasi, che svolge un ruolo importante nei processi di fermentazione durante la vinificazione. Naturalmente, i ricercatori dovranno condurre una valutazione approfondita per indagare su eventuali possibili effetti immediati e a lungo termine sull'ambiente e sulla salute umana prima del suo utilizzo come agente curativo nelle infrastrutture concrete.
Le future ricette di cemento potrebbero includere funghi. (Midtown Crossing a Turner Park, CC BY) Ancora non comprendiamo appieno questa giovanissima ma promettente tecnica di riparazione biologica. Il calcestruzzo è un ambiente difficile per il fungo: valori di pH molto elevati, dimensioni dei pori relativamente piccole, grave deficit di umidità, alte temperature in estate e basse temperature in inverno, disponibilità di nutrienti limitata e possibile esposizione ai raggi ultravioletti della luce solare. Tutti questi fattori influenzano notevolmente le attività metaboliche dei funghi e li rendono vulnerabili alla morte.
La nostra ricerca è ancora nella fase iniziale e c'è ancora molta strada da fare per rendere il calcestruzzo autorigenerante pratico ed economico. Ma la portata delle sfide delle infrastrutture americane rende utile esplorare soluzioni creative come questa.
Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation.
Congrui Jin, Ricercatore di ingegneria meccanica, Università di Binghamton, Università di Stato di New York
