科罗拉多大学博尔德分校 这张图片展示了与聚合物分子结合的冰晶是如何经历动态冰成形的，从球形变成圆形六边形，研究人员称之为“柠檬冰”
学分:科罗拉多大学博尔德分校生活材料实验室 巩固我们未来基础设施的可持续性的秘密可能来自大自然，例如蛋白质，它可以防止植物和动物在极端寒冷的条件下结冰
博尔德大学的研究人员发现，一种基于天然抗冻蛋白的合成分子可以最大限度地减少冻融损伤，提高混凝土的强度和耐久性，延长新基础设施的寿命，并减少其寿命期内的碳排放
他们发现，在混凝土中加入一种仿生分子——一种模拟北极和南极生物中发现的防冻化合物的分子——可以有效防止冰晶生长和随后的损害
这种新方法今天发表在《细胞报告物理科学》上，挑战了70多年来减轻混凝土基础设施霜冻损害的传统方法
“没有人认为混凝土是一种高科技材料，”新研究的作者、土木、环境和建筑工程助理教授威尔·斯鲁巴尔三世说
“但它比人们想象的要高科技得多
面对气候变化，不仅要关注我们如何制造生产过程中排放大量二氧化碳的混凝土和其他建筑材料，还要关注我们如何确保这些材料的长期弹性，这一点至关重要
" 混凝土是由水、水泥粉和各种骨料，如沙子或砾石混合而成的
自20世纪30年代以来，小气泡被放入混凝土中，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，受损混凝土的表面就会剥落
但是这种挑剔的过程是有代价的，会降低强度，增加渗透性
这使得道路上的盐和其他化学物质渗入混凝土中，进而降解嵌入其中的钢材
“当你在解决一个问题的时候，你实际上在加剧另一个问题，”斯鲁巴尔说
这张图片展示了在30次冻融循环后，含有仿生防冻聚合物的混凝土没有出现剥落的迹象 作为美国
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面对全国大量老化的基础设施，每年要花费数十亿美元来减轻和防止损失
然而，这种新的仿生分子可以显著降低成本
在测试中，用这种分子——而不是气泡——制成的混凝土表现出同等的性能、更高的强度、更低的渗透性和更长的寿命
随着一项专利的申请，斯鲁巴尔希望这种新方法能在未来5到10年内进入商业市场
这张图片展示了混凝土在冻融后，如何用仿生防冻聚合物显示没有剥落的迹象
学分:科罗拉多大学博尔德分校生活材料实验室 大自然找到了一条路 从南极洲冰点以下的水域到北极冰冷的苔原，许多植物、鱼类、昆虫和细菌都含有防止它们结冰的蛋白质
这些抗冻蛋白在形成时就结合在生物体的冰晶表面——使它们非常非常小，不会造成任何损害
“我们认为这很聪明，”斯鲁巴尔说
“自然已经找到了解决这个问题的方法
" 混凝土也存在同样的冰晶形成问题，之前的工程师曾试图通过添加气泡来缓解这个问题
所以斯鲁巴尔和他的团队想:为什么不收集一堆这种蛋白质，并把它变成混凝土呢？ 不幸的是，这些在自然界中发现的蛋白质不喜欢从它们的自然环境中移除
它们散开或分解，就像煮过头的意大利面条
混凝土也是极其碱性的，其酸碱度通常超过12或12
五
对大多数分子来说，这不是一个友好的环境，这些蛋白质也不例外
因此，斯鲁巴尔和他的研究生使用了一种合成分子——聚乙烯醇，或称聚乙烯醇——它的行为与这些抗冻蛋白完全相同，但在高酸碱度下更稳定，并将其与另一种无毒、强健的分子——聚乙二醇——相结合，后者通常用于制药行业，以延长药物在体内的循环时间
这两种聚合物的分子组合在高酸碱度下保持稳定，并抑制冰晶生长
压力增加 混凝土是仅次于水的地球上第二大消耗材料:每人每年生产两吨
根据斯鲁巴尔的说法，至少在接下来的32年里，每35天就会有一座新的纽约市建成
“其制造、使用和处置具有重大的环境后果
仅水泥的生产，即我们用来制造混凝土的粉末，就占了全球二氧化碳排放量的8%
" 为了达到巴黎协定的目标，并保持全球气温上升远低于3
6华氏度，建筑业必须在2030年前减少40%的排放量，并在2050年前完全消除
气候变化本身只会加剧混凝土和老化基础设施的压力，极端温度和冻融循环在一些地理位置更频繁地发生
“今天设计的基础设施在未来将面临不同的气候条件
在未来的几十年里，材料将以一种前所未有的方式接受测试
“所以我们做的混凝土需要持久
"
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