La infraestructura respalda y facilita nuestra vida diaria: piense en las carreteras por las que conducimos, los puentes y túneles que ayudan a transportar personas y mercancías, los edificios de oficinas donde trabajamos y las presas que proporcionan el agua que bebemos. Pero no es ningún secreto que la infraestructura estadounidense está envejeciendo y necesita desesperadamente rehabilitación.
Las estructuras de hormigón, en particular, sufren un grave deterioro. Las grietas son muy comunes debido a diversos fenómenos químicos y físicos que ocurren durante el uso diario. El hormigón se encoge a medida que se seca, lo que puede causar grietas. Puede agrietarse cuando hay movimiento debajo o gracias a los ciclos de congelación / descongelación a lo largo de las estaciones. Simplemente ponerle demasiado peso puede causar fracturas. Peor aún, las barras de acero incrustadas en el hormigón como refuerzo pueden corroerse con el tiempo.
Las grietas muy pequeñas pueden ser bastante dañinas porque proporcionan una ruta fácil para líquidos y gases, y las sustancias nocivas que pueden contener. Por ejemplo, las microgrietas pueden permitir que se infiltre agua y oxígeno y luego corroan el acero, lo que lleva a una falla estructural. Incluso una brecha delgada del grosor de un cabello puede permitir que entre suficiente agua para socavar la integridad del concreto.
Pero el trabajo continuo de mantenimiento y reparación es difícil porque generalmente requiere una enorme cantidad de trabajo e inversión.
Entonces, desde 2013, he estado tratando de descubrir cómo estas grietas dañinas podrían curarse sin la intervención humana. La idea se inspiró originalmente en la increíble capacidad del cuerpo humano para curarse de cortes, contusiones y huesos rotos. Una persona toma nutrientes que el cuerpo usa para producir nuevos sustitutos para sanar los tejidos dañados. De la misma manera, ¿podemos proporcionar los productos necesarios al concreto para rellenar las grietas cuando ocurre un daño?
Mis colegas de la Universidad de Binghamton, Guangwen Zhou y David Davies, Ning Zhang de la Universidad de Rutgers y yo hemos encontrado un candidato inusual para ayudar al concreto a curarse a sí mismo: un hongo llamado Trichoderma reesei .
Los investigadores examinaron una serie de hongos en busca de un candidato que pudiera ayudar a llenar las grietas de concreto. (Congrui Jin, CC BY-ND) Inicialmente seleccionamos alrededor de 20 especies diferentes de hongos para encontrar uno que pudiera soportar las duras condiciones en el concreto. Algunos los aislamos de las raíces de las plantas que crecieron en suelos pobres en nutrientes, incluidos los pinares de Nueva Jersey y las Montañas Rocosas canadienses en Alberta.
Descubrimos que a medida que el hidróxido de calcio del concreto disuelto en agua, el pH de nuestro medio de crecimiento de hongos aumentó de un valor original cercano a neutral de 6.5 hasta un nivel muy alcalino de 13.0. De todos los hongos que probamos, solo T. reesei podría sobrevivir a este entorno. A pesar del aumento drástico del pH, sus esporas germinaron en micelio hifal filiforme y crecieron igualmente bien con o sin concreto.
Una vez que las esporas (izquierda) germinan con la adición de agua, crecen en micelio hifal filiforme (derecha). (Congrui Jin, CC BY-ND) Proponemos incluir esporas de hongos, junto con nutrientes, durante el proceso de mezcla inicial al construir una nueva estructura de concreto. Cuando ocurre el inevitable agrietamiento y el agua encuentra su camino, las esporas de hongos latentes germinarán.
A medida que crecen, funcionarán como un catalizador dentro de las condiciones ricas en calcio del concreto para promover la precipitación de cristales de carbonato de calcio. Estos depósitos minerales pueden llenar las grietas. Cuando las grietas están completamente selladas y no puede entrar más agua, los hongos volverán a formar esporas. Si se forman grietas nuevamente y las condiciones ambientales se vuelven favorables, las esporas podrían despertarse y repetir el proceso.
T. reesei es ecológico y no patógeno, y no presenta ningún riesgo conocido para la salud humana. A pesar de su presencia generalizada en suelos tropicales, no hay informes de efectos adversos en plantas o animales acuáticos o terrestres. De hecho, T. reesei tiene una larga historia de uso seguro en la producción a escala industrial de enzimas carbohidrasas, como la celulasa, que desempeña un papel importante en los procesos de fermentación durante la vinificación. Por supuesto, los investigadores deberán realizar una evaluación exhaustiva para investigar cualquier posible efecto inmediato y a largo plazo sobre el medio ambiente y la salud humana antes de su uso como agente curativo en infraestructura concreta.
Las futuras recetas de cemento pueden incluir hongos. (Midtown Crossing en Turner Park, CC BY) Todavía no entendemos completamente esta técnica de reparación biológica muy joven pero prometedora. El concreto es un ambiente hostil para el hongo: valores de pH muy altos, tamaños de poro relativamente pequeños, déficit de humedad severo, altas temperaturas en verano y bajas temperaturas en invierno, disponibilidad limitada de nutrientes y posible exposición a los rayos ultravioleta de la luz solar. Todos estos factores influyen dramáticamente en las actividades metabólicas de los hongos y los hacen vulnerables a la muerte.
Nuestra investigación todavía está en la etapa inicial y hay un largo camino por recorrer para hacer que el concreto autocurativo sea práctico y rentable. Pero el alcance de los desafíos de la infraestructura estadounidense hace que valga la pena explorar soluciones creativas como esta.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Congrui Jin, Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica, Binghamton University, State University of New York
