Un material de construcción viviente (LBM por sus siglas en inglés "Living Building Material") es un material utilizado en la construcción y diseño industrial cuya composición incluye seres vivos como bacterias, hongos u otros microorganismos. Los ejemplos incluyen: biocemento autorreparable,hormigón autorreplicante, y compuestos a base de micelio para construcción y embalaje. Algunos proyectos artísticos de este campo incluyen estos materiales vivientes en componentes de construcción y artículos del hogar.
Historia El desarrollo de materiales de construcción vivientes comenzó con la investigación de métodos biomiméticos de mineralización de hormigón, inspirados en la mineralización del coral . El uso de la precipitación de calcita inducida por microbios (MICP por sus siglas en inglés "Microbiologically Induced Calcite Precipitation") en concreto, se aplicó por primera vez en Francia en 1990, por un investigador de la Universidad Pierre y Marie Curie llamado Adolphe Jean-Pierre, como método para crear una capa protectora en las fachadas de los edificios.
En 2001 varios experimentos habían demostrado que podían utilizarse bacterias calcificantes para reparar fisuras en el concreto y para crear concreto más resistente y duradero. Sin embargo, en aquel entonces aún se desconocían los efectos a largo plazo del uso de microorganismos en el concreto.http://sphinx.murdoch.edu.au/units/extern/BIO301/teach/download/previous%20years/Chemostat/B.%20pasteuri%20literature%20examples/Concrete%20remediation%20with%20B.%20pasteurii.pdfRamachandran, S. K., Ramakrishnan, V., & Bang, S. S. (2001). Remediation of concrete using micro-organisms. ACI Materials Journal-American Concrete Institute, 98(1), 3-9.
En 2005, un grupo de ingenieros de la Universidad de Antioquia en Colombia, lograron crear una mezcla de hormigón con bacterias calcificantes que dotaron a la mezcla de una mayor densidad, resistencia, impermeabilidad, resistencia al ácido nítrico y menor conductividad térmica. En 2007, la empresa estadounidense Ecovative Design presentó Greensulate, un material de aislamiento para edificios basado en micelio. Fue un trabajo derivado de la investigación realizada en el Instituto Politécnico Rensselaer. Los compuestos de micelio se desarrollaron más tarde para el embalaje, la absorción del sonido y los materiales de construcción estructurales, como los ladrillos.
En 2013 en el Reino Unido, la Universidad de Cardiff fundó el proyecto Materials for Life (M4L) para "crear una infraestructura y entorno con un sistema sostenible y resistente que comprenda materiales y estructuras capaces de monitorizarse, regularse, adaptarse y repararse continuamente sin necesidad de intervención externa". M4L realizó las primeras pruebas de hormigón autorreparable del Reino Unido. En 2017, el proyecto se expandió en un consorcio liderado por las universidades de Cardiff, Cambridge, Bath y Bradford, cambiando su nombre a Resilient Materials 4 Life (RM4L) y recibiendo fondos del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido. Este consorcio se centra en 4 aspectos de la ingeniería de materiales:
Autosanación de grietas en múltiples escalas. Autosanación de daños por carga cíclica y dependientes del tiempo. Autodiagnóstico y sanación de daños químicos. Autodiagnóstico e inmunización contra daños físicos.
En 2016, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa del Departamento de Defensa de los Estados Unidos lanzó el programa Ingeniería de Materiales Vivientes (ELM por Engineered Living Materials). Su objetivo es "desarrollar herramientas y métodos de diseño que habiliten la ingeniería de características estructurales en sistemas celulares que operan como materiales vivientes, desbloqueando un nuevo espacio para el diseño de tecnología de construcción... [y] para validar estos nuevos métodos a través de la producción de materiales vivientes capaces de reproducirse, autoorganizarse y autosanarse". En 2017, el programa ELM contrató a Ecovative Design para producir "un material de construcción híbrido viviente... [para] reprogramarlo genéticamente con una funcionalidad receptiva [como] la reparación de heridas... [y para] reutilizar y redistribuir rápidamente [el] material en nuevas figuras, modos y aplicaciones". En 2020, un grupo de investigación de la Universidad de Colorado, financiado por una subvención de ELM, publicó un artículo respecto a la creación exitosa de hormigón de regeneración exponencial que habían logrado.
Hormigón Autorreplicante miniaturadeimagen|330x330px| La energía de fractura de un material de construcción viviente en comparación con dos controles: uno sin cianobacterias y otro sin cianobacterias y con alto pH. El hormigón autorreplicante se produce utilizando una mezcla de arena e hidrogel, que sirve como medio de cultivo de bacterias sinecococos.
Síntesis y fabricación. La mezcla de hidrogel y arena de la cual se fabrica el concreto autorreplicante tiene un pH, fuerza iónica y temperaturas de curado más bajas que las mezclas de concreto estándar, lo que lo convierte en un medio de cultivo para bacterias. A medida que las bacterias se reproducen, se propagan y biomineralizan el medio con carbonato de calcio, que es el principal contribuyente de la resistencia y durabilidad del material. Después de la biomineralización, el compuesto de hidrogel y arena es lo suficientemente fuerte como para utilizarse en la construcción, como hormigón o mortero.
Las bacterias en el concreto autorreplicante reaccionan a los cambios de humedad ambiental : son más activas y se reproducen más rápido en un ambiente con un rango de 50 a 100% de humedad, Una humedad más baja produce un material más fuerte.
A medida que las bacterias se reproducen, aumenta la biomineralización; esto aumenta la capacidad de producción exponencialmente.
Propiedades Las propiedades estructurales del material son similares a las de morteros sobre la base de cemento Portland. Tiene un módulo elástico de 293,9 MPa y una resistencia a la tracción de 3,6 MPa (3,5MPa es el mínimo exigido para hormigones a base de cemento Portland); no obstante, su energía de fractura es de 170 N, bastante menor que la mayoría de formulaciones de hormigón estándar, las cuales alcanzan varios kN.
Usos El concreto autorreplicante tiene usos en variadas de aplicaciones y entornos, pero el efecto de la humedad ambiental en las propiedades del material final implican que la aplicación del material debe adaptarse a su entorno. En ambientes húmedos, es mejor usarlo para rellenar grietas en caminos, paredes y aceras, ya que rellena las cavidades creciendo hasta convertirse en una masa sólida a medida que fragua, mientras que en ambientes más secos es más apropiado utilizarlo estructuralmente, ya que su resistencia aumenta en ambientes de baja humedad.
A diferencia del concreto tradicional, cuya producción libera cantidades masivas de dióxido de carbono a la atmósfera, las bacterias utilizadas en el concreto autorreplicante absorben dióxido de carbono, lo que reduce la huella de carbono del proceso.
El concreto autorreplicante no busca reemplazar el concreto tradicional, sino crear una nueva clase de materiales con su propia combinación de resistencia, beneficios ecológicos y funcionalidad biológica.
Biocemento miniaturadeimagen| Aplicación de biocemento en panales de abejas. La figura (a) muestra un diagrama virtual del bloque de biocemento y el área de alojamiento para las abejas. La figura (b) muestra la sección transversal del diseño y los agujeros en los que pueden anidar las abejas. La figura (c) muestra el prototipo del bloque de abeja hecho de biocemento. El biocemento es un agregado de arena producido a través del proceso de precipitación de calcita inducida por microbios. Es un material ecológico que puede producirse con una variedad de materias primas, desde desechos agrícolas hasta relaves mineros.
Síntesis y fabricación. Los microbios son el componente clave en la formación de bioconcreto, ya que proporcionan el sitio de nucleación para la precipitación de carbonato de calcio en la superficie. Los microorganismos como Sporosarcina pasteurii son útiles en este proceso, ya que crean ambientes altamente alcalinos donde abunda el carbono inorgánico disuelto. Estos factores son esenciales para la precipitación de calcita inducida por microorganismos, que es el mecanismo principal para formar el biocemento. Otros organismos aptos para inducir este proceso son microorganismos fotosintéticos como microalgas, cianobacterias y bacterias reductoras de sulfato como Desulfovibrio desulfuricans.
La nucleación del carbonato de calcio en la mezcla depende de 4 factores principales:
La concentración de calcio La concentración de carbono inorgánico disuelto Los niveles de pH La disponibilidad de sitios de nucleación
Siempre que la concentración de iones de calcio sea lo suficientemente alta, los microorganismos podrán crear el entorno a través de procesos como la ureólisis.
Los avances en la optimización de métodos para facilitar la precipitación de carbonato de calcio mediante el uso de microorganismos se desarrollan rápidamente.
Propiedades El biocemento es capaz de "autosanarse" debido a su composición de bacterias, lactato de calcio, nitrógeno y fósforo. Estos componentes son capaces de permanecer activos en el biocemento por hasta 200 años. El biocemento, como cualquier otro hormigón, puede agrietarse por las fuerzas y tensiones externas. Sin embargo, a diferencia del hormigón normal, los microorganismos del biocemento pueden germinar en presencia de agua, agua que puede ser suministrada por fuentes como la lluvia. Una vez introducida el agua en las zonas agrietadas, esta despertará a las bacterias y comienzan a alimentarse del lactato de calcio presente en la mezcla. Este proceso de alimentación también consume oxígeno que convierte el lactato de calcio en piedra caliza insoluble que se solidifica en la superficie sobre la que se encuentra, que en este caso es el área agrietada, sellando así la grieta.
El oxígeno es uno de los principales elementos corrosivos en materiales como los metales. Cuando se utiliza biocemento en estructuras de hormigón armado con acero, los microorganismos consumen el oxígeno, impidiendo que corroa el metal y aumentando así la resistencia a la corrosión. Esta propiedad también permite la resistencia al agua, ya que esta induce la sanación del material y reduce la corrosión general al despertar a las bacterias. Los agregados de hormigón de agua son los que se utilizan para prevenir la corrosión. Estos son reciclables gracias a diferentes métodos para reutilizarlos, como triturar o moler el biocemento.
La permeabilidad del biocemento también es mayor que la del cemento tradicional debido a su mayor porosidad. Una mayor porosidad conduce a una mayor propagación de grietas cuando se expone a fuerzas lo suficientemente grandes.
Actualmente, el biocemento se compone aproximadamente de un 20% de un agente autorreparador, aunque disminuye su resistencia mecánica. La resistencia mecánica del biohormigón es aproximadamente un 25 % más débil que la del hormigón tradicional, lo que mengua su resistencia a la compresión.
Organismos como la Pseudomonas aeruginosa son efectivos para crear biocemento,pero estos no son seguros para estar cerca de los humanos, por lo que deben evitarse.
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