Doğal Antifriz: Daha Dayanıklı Beton İçin Yeni Formül

Gelecekteki altyapımızın sürdürülebilirliğini sağlamlaştırmanın sırları, bitki ve hayvanların aşırı soğuk koşullarda donmasını önleyen proteinler gibi doğadan gelebilir. Colorada Üniversitesi araştırmacıları, doğal antifriz proteinlerine dayanan sentetik bir molekülün donma-çözülme hasarını en aza indirdiğini ve betonun mukavemetini ve dayanıklılığını artırdığını, yeni altyapının ömrünü uzattığını ve ömrü boyunca karbon emisyonlarını azalttığını keşfettiler.

Arktik ve Antarktik organizmalarda bulunan antifriz bileşiklerini taklit eden bir biyomimetik molekülün betona eklenmesinin buz kristallerinin büyümesini ve daha sonra meydana gelen hasarı etkili bir şekilde önlediğini buldular. Cell Reports Pyhsics Science’da yayınlanan bu yeni yöntem, betondaki donma hasarının azaltılmasında 70 yılı aşkın süredir kullanılan geleneksel yaklaşımları zorluyor.

Biyomimetik; insanların karmaşık problemlerini çözmek için model, sistem ve doğa unsurlarının taklididir. Biyonik ile yakından ilgili bir konudur.

“Kimse betonu yüksek teknoloji ürünü bir malzeme olarak düşünmüyor.” diyor yeni çalışmanın yazarı ve inşaat, çevre ve mimari mühendisliği yardımcı doçenti Wil Srubar ve ekliyor “Ama birilerinin düşündüğünden çok daha fazla teknolojik bir üründür. İklim değişikliği karşısında, sadece üretimlerinde çok fazla karbondioksit yayan beton ve diğer inşaat malzemelerini nasıl ürettiğimize değil, aynı zamanda bu malzemelerin uzun vadeli dayanıklılığını nasıl sağladığımıza da dikkat etmek gerekiyor. ”

1930’lardan beri betonu donma-çözülme riskine karşı korumak için betonun içine hava kabarcıkları ilave ediyoruz ve bunu kimyasal katkılar ile sağlıyoruz. Eski dönemlerde ise bu iş için hayvan kanı ya da yağı bile kullanılmıştır. Bu, betona nüfus eden suyun donarken genleşmesine imkân sağlıyor ve çekme kuvvetinin betona hasar verecek seviyeye ulaşmasını önlüyor. Ancak; bu titiz işlem maliyeti artırmakta, betonun dayanımını azaltmakta ve betonun geçirgenliğini artırmaktadır. Bu ayrıca, yollarda buzlanmayı engellemek için kullanılan tuzların ve diğer kimyasalların betona sızmasına ve sonuçta beton içindeki gömülü donatının korozyona uğramasına neden olabilmektedir.

Srubor bu konuda “Bir sorunu çözerken, aslında başka bir sorunu daha da kötüleştiriyorsunuz.” diyor.

ABD; ülke genelinde önemli miktarda eskimiş altyapı ile karşı karşıya kaldığından dolayı her yıl zararın azaltılması ve önlenmesi için milyarlarca dolar harcamaktadır. Bununla birlikte, bu yeni biyomimetik molekül maliyetleri önemli ölçüde azaltabilir.

Testlerde hava molekülleri yerine bu molekülle yapılan betonun; eşdeğer performansa, daha yüksek mukavemete, daha düşük geçirgenliğe ve daha uzun bir ömre sahip olduğu görülmüştür.

Patenti beklemede olan Srubar, bu yeni yöntemin önümüzdeki 5 ila 10 yıl içinde ticari pazara girmesini umuyor.

Donma-çözülme çevriminden sonra çimento hamuru örneklerinin kesit görüntüleri. Şekil (g), doğru tip ve miktarda antifriz polimerinin, donma-çözülme çevriminden sonra herhangi bir çatlama ve hasar ile sonuçlanmadığını göstermektedir. Şekil (a), polimer içermeyen kontroldür.

Bu görüntüler, çözeltiye antifriz polimerlerinin eklenmesinin, büyüyen bir buz kristalinin şeklini nasıl değiştirebileceğini göstermektedir. Normal buz kristalleri küresel bir şekilde büyürken, antifriz polimerleri ile çözeltide oluşan buz kristalleri altıgenler oluşturur. (Kredi: CU Boulder)

Antarktika’nın dondurucu sularından Arktik’in buz gibi tundralarına kadar birçok bitki, balık, böcek ve bakteri; donmalarını önleyen proteinler içerir. Bu antifriz proteinleri, oluştuğu anda bir organizmadaki buz kristallerinin yüzeyine bağlanır ve onları hasar vermeyecek kadar küçük tutar.

Beton da benzer olarak içindeki suyun donup, buz kristalleri oluşturmasından dolayı ve bu döngünün sürekliliğinden dolayı (donma-çözülme) problem yaşamaktadır. Bu nedenle Srubar ve ekibi bu proteini beton üzerinden denemek istemiştir. Bu konuyu Srubar şöyle ifade ediyor: “Bunun oldukça zekice olduğunu düşündük. Doğa zaten bu sorunu çözmenin bir yolunu bulmuştu.”

Ne yazık ki, doğada bulunan bu proteinler doğal ortamlarından uzaklaştırılmayı sevmezler. Pişirilmiş spagetti gibi çözülüyor veya parçalanıyorlar.

Beton oldukça bazik bir malzemedir. pH değeri genellikle 12 veya 12.5’in üzerindedir. Bu, çoğu molekül için dost bir ortam değildir.

Bu nedenle Srubar ve lisansüstü öğrencileri, bu antifriz proteinleri gibi davranan; ancak yüksek pH’da çok daha kararlı olan sentetik bir molekül (polivinil alkol veya PVA) kullandılar. Bu molekülü ilaç endüstrisinde vücuttaki ilaçların dolaşım süresini uzatmak için kullanılan, toksik olmayan ve oldukça sağlam olan bir diğer molekül polietilen glikolle birleştirdiler. İki polimerin bu moleküler kombinasyonu yüksek pH’lı ortamda kararlı olmakta ve buz kristallerinin büyümesini engellemektedir.

Beton, sudan sonra Dünya’da en çok tüketilen ikinci malzemedir. Her yıl kişi başına iki ton üretilmektedir. Srubar’a göre bu, en azından önümüzdeki 32 yıl boyunca her 35 günde bir inşa edilen yeni bir New York şehri demek oluyor. Srubar özellikle betonun çevresel boyutunu da önemsiyor: “Üretimi, kullanımı ve bertarafının önemli çevresel sonuçları var. Beton üretmek için kullandığımız çimento, küresel CO₂ emisyonlarımızın yaklaşık yüzde 8’inden sorumludur.”

Paris Anlaşması hedeflerini karşılamak ve küresel sıcaklık artışını 2^oC çok altında tutmak için, inşaat endüstrisi kaynaklı emisyon 2030 yılına kadar %40 oranında azaltılmalı ve 2050 yılına kadar tamamen ortadan kaldırmalıdır.

Bugün tasarlanan altyapı gelecekte farklı iklim koşullarıyla karşı karşıya kalabilecektir. Önümüzdeki on yıllarda, malzemeler daha önce hiç olmadıkları şekilde test edilebilir.