Wilgoć może z czasem poważnie uszkodzić zaprawę murarską, na przykład kiedy pod wpływem mrozu pojawiają się w niej pęknięcia. Grupa naukowców znalazła jednak nietypowy sposób, jak sobie z tym radzić. Ich propozycja to powłoka z biofilmu – śluzowatej substancji wydzielanej przez pewien gatunek bakterii.
Fot. Stefan Grumbein / TUM
Prof. Oliver Lieleg na co dzień nie ma za wiele wspólnego z cegłami, zaprawą murarską i betonem. Jako specjalista od biomechaniki na Uniwersytecie Technicznym w Monachium zajmuje się głównie hydrożelami pochodzenia biologicznego, czyli, mówiąc wprost, śluzem wydzielanym przez żywe organizmy.
Do tego typu substancji zalicza się także m.in. płytka nazębna czy śliski, czarny osad na rurach ściekowych. Nic więc dziwnego, że biofilm kojarzy nam się z czymś odrażającym i szkodliwym – czymś, czego należy się pozbyć. Ku radości prof. Lielega okazało się jednak, że te naturalne wydzieliny mogą się także na coś przydać.
Cel: zatrzymać wilgoć
Pomysł na chroniący zaprawę murarską biofilm przyszedł mu do głowy podczas rozmowy z prof. Christianem Große, ekspertem od badań nieniszczących. Przedmiotem testów naukowca jest m.in. samonaprawiający się beton, którego rysy i pęknięcia zasklepiają się dzięki bakteriom. Aktywowane przy pomocy wilgoci, mikroorganizmy zamykają pęknięcia przy pomocy związków zawierających wapń.
Prof. Lieleg zainspirował się tą technologią, jednak we własnym projekcie wykorzystał zaprawę murarską zamiast betonu. Skupił się także nie na naprawie, ale na zapobieganiu powstawaniu uszkodzeń. Celem było zatrzymanie wilgoci, która wnikając do materiału potrafi wyrządzić wiele szkód – sprzyja rozwojowi grzybów, a także pogłębia istniejące pęknięcia w procesie zamarzania. Badacz wykorzystał fakt, że niektóre bakterie silnie odpychają wodę. Szczegółową recepturę, według której otrzymali zmodyfikowaną zaprawę, Lieleg i jego współpracownicy opisali w czasopiśmie „Advanced Materials”.
Zaprawa jak teflon
Kluczowy składnik materiału tu biofilm produkowany przez bakterie z gatunku Bacillus subtilis. Są to mikroorganizmy powszechnie występujące w glebie. Do celów eksperymentu okazały się one idealne, ponieważ wykorzystany szczep namnaża się bardzo szybko, wydziela duże ilości biomasy i jest całkowicie nieszkodliwy. Po wyhodowaniu bakterii w laboratorium i wytworzeniu przez nie biofilmu naukowcy dodali go do zaprawy.
Uzyskano materiał, który wykazywał silną hydrofobowość. Podczas gdy na zwykłej zaprawie kąt zwilżania wynosi blisko 30°, na zmodyfikowanym materiale był on trzy razy większy. Oznacza to, że krople wody na powierzchni nie rozpływały się, ale pozostawały kuliste, a więc praktycznie nie wnikały w strukturę materiału. Uzyskany kąt zwilżania jest zbliżony do kąta zwilżania politetrafluoroetylenu (PTFE), znanego jako teflon – jednego z najbardziej hydrofobowych materiałów na świecie, stosowanego do powlekania patelni.
Bakterie i efekt lotosu
Wyjaśnienie tego efektu widać na obrazie ze skaningowego mikroskopu elektronowego: powierzchnia zaprawy pokryta jest maleńkimi krystalicznymi igiełkami. To skutkuje tzw. efektem lotosu, nazwanym tak, ponieważ zaobserwowany został po raz pierwszy właśnie na liściach lotosu. Drobne wypukłe struktury na powierzchni sprawiają, że tylko niewielka powierzchnia kropli wody styka się z podłożem – napięcie powierzchniowe przewyższa siłę adhezji do podłoża.
Podobne igiełki obserwuje się też na powierzchni niezmodyfikowanej zaprawy, ale są one zbyt długie i nierównomiernie rozłożone, aby pojawił się efekt lotosu. Za sprawą biofilmu powstają sztywne, regularnie rozmieszczone struktury, które są obecne nie tylko na powierzchni, ale i w objętości materiału – co zapobiega jego nasiąkaniu wodą.
Produkcja – w zasięgu ręki
Obecnie trwają testy wytrzymałościowe materiału, których wyniki mają potwierdzić, czy nadaje się on do zastosowań budowlanych. Jak zapewnia prof. Lieleg, jeśli tylko okaże się, że tak, nie ma przeszkód, aby produkować zaprawę na wielką skalę. Wykorzystane do jej otrzymania bakterie są dostępne i niedrogie, biofilm natomiast można też aplikować w formie liofilizowanej, w której łatwiej go przechowywać i transportować. W przyszłości twórcy technologii planują sprawdzić, czy można ją też stosować do ochrony betonu.
Źródło: european-coatings.com
