巩固我们未来基础设施可持续性的秘密可能来自自然界，例如使植物和动物无法在极冷的条件下冻结的蛋白质。CU Boulder研究人员发现，基于天然抗冻蛋白的合成分子可最大程度地减少冻融破坏，并提高混凝土的强度和耐久性，从而改善新基础设施的使用寿命，并减少其使用寿命内的碳排放量。
他们发现，向混凝土添加仿生分子(一种模仿北极和南极生物中发现的防冻剂的分子)可以有效地防止冰晶的生长和随后的破坏。这种新方法今天在《细胞报告物理科学》上发表，它在减轻混凝土基础设施的霜冻损害方面已有70多年的传统方法所面临的挑战。
这项新研究的作者，土木，环境和建筑工程学助理教授威尔·斯鲁巴三世说：“没有人认为混凝土是一种高科技材料。”“但是它比人们想象的要高科技得多。面对气候变化，至关重要的是不仅要注意我们如何生产在生产过程中会排放大量二氧化碳的混凝土和其他建筑材料，而且以及我们如何确保这些材料的长期弹性。”
混凝土是通过将水，水泥粉和各种集料(例如沙子或砾石)混合而形成的。
自1930年代以来，已经在混凝土中加入了小气泡，以保护其免受水和冰晶的破坏。这样，任何渗入混凝土中的水在冻结时都有扩展的空间。没有它，损坏的混凝土表面将剥落。
但是这种挑剔的过程可能会付出一定的代价，即降低强度并增加渗透性。这样可使道路盐和其他化学物质渗入混凝土中，从而使嵌入其中的钢降解。
“在解决一个问题时，实际上正在加剧另一个问题，” Srubar说。
由于各地面临着大量老化的基础设施，因此每年花费数十亿美元来减轻和防止损失。但是，这种新型仿生分子可以大大降低成本。
在测试中，用这种分子制成的混凝土(而不是气泡)具有同等的性能，更高的强度，更低的渗透性和更长的使用寿命。
有了专利申请，Srubar希望这种新方法能够在未来5到10年内进入商业市场。
大自然找到一条路
从南极以下的冰冻水域到北极的冰冷苔原，许多植物，鱼类，昆虫和细菌都含有阻止它们冻结的蛋白质。这些抗冻蛋白在形成时就与生物体中的冰晶表面结合，使它们保持很小，很小，并且不会造成任何损害。
斯鲁巴说：“我们认为那很聪明。”“大自然已经找到了解决这个问题的方法。”
混凝土遭受冰晶形成的同样问题，以前的工程师曾试图通过增加气泡来减轻这种现象。因此Srubar和他的团队认为：为什么不收集一束这种蛋白质，然后将其制成混凝土呢?
不幸的是，自然界中发现的这些蛋白质不喜欢从其自然环境中去除。它们像煮熟的面条一样散开或崩解。
混凝土也是极其碱性的，其pH通常超过12或12.5。对于大多数分子来说，这不是一个友好的环境，这些蛋白质也不例外。
因此，Srubar和他的研究生使用的合成分子-聚乙烯醇(PVA)的行为与这些抗冻蛋白完全一样，但在高pH下更加稳定，并将其与另一种无毒，坚固的分子-聚乙二醇结合使用在制药工业中用于延长药物在体内的循环时间。这种两种聚合物的分子结合在高pH下保持稳定，抑制了冰晶的生长。
压力增加
仅次于水，混凝土是地球上消耗第二大的材料：每年每人制造两吨。根据Srubar的说法，这至少在未来32年内，每35天都会建造一个新的纽约市。
“它的制造，使用和处置会对环境造成重大影响。仅水泥生产(我们用于制造混凝土的粉末)就占了全球CO2排放量的8%。”
为了实现《巴黎协定》的目标并使全球温度升高远低于华氏3.6度，建筑业必须在2030年之前将排放量减少40%，并在2050年之前全部消除。气候变化本身只会加剧混凝土和老化基础设施的压力。在某些地理位置，极端温度升高和冻融循环的发生频率更高。
Srubar说：“今天设计的基础设施将在未来面临不同的气候条件。在未来几十年中，将以前所未有的方式对材料进行测试。”“因此，我们所做的具体工作需要持续下去。”