Concrete is the most widely used construction material in the world. It can be found in swathes of city pavements, bridges that span vast rivers, and the tallest skyscrapers on earth. But this sturdy substance does have a weakness: it’s prone to catastrophic cracking that costs tens of billions of dollars to repair each year. But what if we could avoid that problem, by creating concrete that heals itself?
بتن پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان است. میتوان آن را در روسازی راههای شهری، پلهایی که در دهانه رودخانهها ایجادشدهاند، و بلندترین آسمانخراشهای روی زمین یافت. اما این ماده محکم یک ضعف دارد: مستعد ابتلا به ترکهای فاجعهبار است که سالانه دهها میلیارد دلار هزینه برای تعمیرات در پی دارد. چه میشد اگر میتوانستیم از این مشکل جلوگیری کنیم، با ایجاد بتنی که خود را ترمیم کند؟
This idea isn’t as far-fetched as it may seem. It boils down to an understanding of how concrete forms, and how to exploit that process to our benefit. Concrete is a combination of coarse stone and sand particles, called aggregates, that mix with cement, a powdered blend of clay and limestone. When water gets added to this mix, the cement forms a paste and coats the aggregates, quickly hardening through a chemical reaction called hydration. Eventually, the resulting material grows strong enough to prop up buildings that climb hundreds of meters into the sky.
این ایده خیلی دور از ذهن نیست آنقدر که به نظر میرسد. برای درک آن باید بدانیم بتن چگونه شکل میگیرد، و چگونه از این روند به نفع خودمان استفاده کنیم. بتن ترکیبی از سنگ درشت و ذرات شن و ماسه است که سنگدانه نامیده میشود، و با سیمان که یک ترکیب پودری، از خاک رس و سنگ آهک است، مخلوط میشود. وقتی آب به این مخلوط اضافه شد، سیمان به شکل خمیر درمیآید و سنگدانهها را به سرعت سخت میکند از طریق یک واکنش شیمیایی که هیدراتاسیون نامیده میشود. سرانجام، ماده حاصل بهاندازه کافی محکم میشود تا ساختمانهایی را ایجاد کند که صدها متر در آسمان بالا میروند.
While people have been using a variety of recipes to produce cement for over 4,000 years, concrete itself has a surprisingly short lifespan. After 20 to 30 years, natural processes like concrete shrinkage, excessive freezing and thawing, and heavy loads can trigger cracking. And it’s not just big breaks that count: tiny cracks can be just as dangerous. Concrete is often used as a secondary support around steel reinforcements. In this concrete, even small cracks can channel water, oxygen, and carbon dioxide that corrode the steel and lead to disastrous collapse. On structures like bridges and highways that are constantly in use, detecting these problems before they lead to catastrophe becomes a huge and costly challenge. But not doing so would also endanger thousands of lives.
درحالیکه مردم انواع دستورالعملها را برای تولید سیمان در طول ۴,۰۰۰ سال پیش استفاده کردهاند، خود بتن بهطور شگفتآوری عمر کوتاهی دارد. بعد از ۲۰ تا ۳۰ سال، فرآیندهای طبیعی مانند کوچک شدن بتن، فرآیندهای ذوب و یخ بیشازحد، و بارهای سنگین، میتوانند باعث ترکخوردگی شود. و اینطور نیست که فقط ترکهای بزرگ اهمیت داشته باشند: ترکهای کوچک هم میتوانند به همان اندازه خطرناک باشند. اغلباوقات بتن بهعنوان یک پشتیبان ثانویه در اطراف آرماتورهای فولادی استفاده میشود. در این بتن، حتی ترکهای کوچک نیز میتوانند راهی برای عبور آب، اکسیژن، و کربن دیاکسید باشد که منجر به تخریب فولاد میشود. و منجر به تخریبهای خطرناک میشود. در سازههایی مانند پلها و بزرگراهها که دائماً در حال استفاده هستند، تشخیص این مشکلات قبل از اینکه آنها به فاجعه منجر شوند به یک چالش بزرگ و پرهزینه تبدیل شده است. اما نه فقط این، بلکه جان هزاران نفر را هم به خطر میاندازد.
Fortunately, we’re already experimenting with ways this material could start fixing itself. And some of these solutions are inspired by concrete’s natural self-healing mechanism. When water enters these tiny cracks, it hydrates the concrete’s calcium oxide. The resulting calcium hydroxide reacts with carbon dioxide in the air, starting a process called autogenous healing, where microscopic calcium carbonate crystals form and gradually fill the gap. Unfortunately, these crystals can only do so much, healing cracks that are less than 0.3mm wide.
خوشبختانه، ما در حال آزمایشِ روشهایی هستیم که این ماده میتواند خودش را ترمیم کند. و برخی از این راهحلها با الهام از مکانیسم طبیعی خود درمانی بتن است. وقتی آب وارد این ترکهای ریز و درشت میشود، اکسید کلسیم، بتن را هیدراته میکند. هیدروکسید کلسیم حاصل با دیاکسید کربن موجود در هوا واکنش میدهد، شروع به فرآیندی به نام ترمیم خودبهخود میکند، که در آن بلورهای کربنات کلسیم بسیار کوچک به تدریج شکاف را پر میکنند. متأسفانه، این بلورها خیلی که کار کند، فقط ترکهایی را که کمتر از ۰٫۳ میلیمتر عرض دارند ترمیم میکند.
Material scientists have figured out how to heal cracks up to twice that size by adding hidden glue into the concrete mix. If we put adhesive-filled fibers and tubes into the mixture, they’ll snap open when a crack forms, releasing their sticky contents and sealing the gap. But adhesive chemicals often behave very differently from concrete, and over time, these adhesives can lead to even worse cracks.
دانشمندان مواد شناسی فهمیدند که چگونه ترکهایی را با اندازهای دو برابری هم ترمیم کنند با اضافه کردن چسب مخفی به مخلوط بتن. اگر الیافی را که از چسب پرشدهاند به همراه لولههایی در داخل بتن بگذاریم، زمانی که ترکی ایجاد شود، آنها هم ناگهان باز میشوند، و محتویات چسبنده را آزاد میکنند و شکاف را آببندی میکنند. اما خصوصیات شیمیایی مواد چسبی اغلب بسیار متفاوتتر از بتن رفتار میکنند، و با گذشت زمان، این چسبها میتوانند منجر به ترکهایی حتی بدتر از قبل شوند.
So perhaps the best way to heal large cracks is to give concrete the tools to help itself. Scientists have discovered that some bacteria and fungi can produce minerals, including the calcium carbonate found in autogenous healing. Experimental blends of concrete include these bacterial or fungal spores alongside nutrients in their concrete mix, where they could lie dormant for hundreds of years. When cracks finally appear and water trickles into the concrete, the spores germinate, grow, and consume the nutrient soup that surrounds them, modifying their local environment to create the perfect conditions for calcium carbonate to grow. These crystals gradually fill the gaps, and after roughly three weeks, the hard-working microbes can completely repair cracks up to almost 1mm wide. When the cracks seal, the bacteria or fungi will make spores and go dormant once more— ready to start a new cycle of self-healing when cracks form again.
بنابراین شاید بهترین راه برای بهبود ترکهای بزرگ این است که به بتن ابزارهایی برای کمک به خودش بدهیم. دانشمندان کشف کردهاند که برخی از باکتریها و قارچها میتوانند مواد معدنی تولید کنند، ازجمله کربنات کلسیم که میتواند در خود ترمیمی بتن مؤثر باشد. مخلوطهای آزمایشی بتن شامل هاگهای باکتریها یا قارچها در کنار مواد مغذی موجود در مخلوط بتنی آنها، جایی است که آنها میتوانند برای صدها سال به خواب بروند. سرانجام، وقتی ترکی ظاهر شود و آب به درون بتن برود، هاگها جوانه میزنند، رشد میکنند و مواد مغذی که آنها را احاطه کرده است مصرف میکنند، محیط پیرامون خود را برای ایجاد شرایطی عالی بهمنظور رشد کربنات کلسیم تغییر میدهند. این بلورها بهتدریج شکافها را پُر میکنند، و بعد از تقریباً سه هفته، میکروبهای سختکوش میتوانند ترکهایی تقریباً تا عرض ۱ میلیمتر را کاملاً تعمیر کنند. وقتی ترک آببندی میشود، باکتریها یا قارچها هاگهایی را ایجاد میکنند و یک بار دیگر به خواب میروند -- و برای شروع یک چرخه دیگر از خود درمانی آماده میشوند وقتی دوباره ترکهایی ایجاد شود.
Although this technique has been studied extensively, we still have a ways to go before incorporating it in the global production of concrete. But, these spores have huge potential to make concrete more resilient and long-lasting— which could drastically reduce the financial and environmental cost of concrete production. Eventually, these microorganisms may force us to reconsider the way we think about our cities, bringing our inanimate concrete jungles to life.
اگرچه این روش بهطور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته، اما راههایی دیگری هم قبل از بکار گیری این روش در تولید جهانی بتن هست. اما، این هاگها پتانسیل زیادی برای ایجاد بتنهایی بسیار انعطافپذیرتر و ماندگارتر دارند — که میتوانند بهشدت هزینههای مالی و زیستمحیطی تولید بتن را کاهش دهد. سرانجام، این میکروارگانیسمها ممکن است ما را وادار به تجدیدنظر کنند در مورد آنچه درباره شهرها میاندیشیم، آوردن محیطهای بی روح و نامطلوب زندگی به زندگی.