Der Mikrofluidik-Chip wurde bislang in der Medizin- und Umweltforschung eingesetzt. (Quelle: Alain Herzog / 2022 EPFL)

Bildung von Biozement in Echtzeit untersuchen

Publiziert

Wissenschaftler der EPFL und der Universität Lausanne haben einen ursprünglich für die Umweltwissenschaften entwickelten Chip verwendet, um die Eigenschaften der Biozementbildung zu untersuchen. Dieser hat das Potenzial, die herkömmlichen Bindemittel des Zements in bestimmten Anwendungen im Bauwesen zu ersetzen.

Der Chip sieht aus wie eine Kreditkarte und ist so dick wie ein menschliches Haar. Seine Oberfläche ist mit einem Strömungskanal versehen, der von Ende zu Ende einen Meter misst. Wissenschaftler können an einem Ende des Kanals eine Lösung injizieren und mithilfe von Zeitraffermikroskopie das Verhalten der Lösung über mehrere Stunden hinweg beobachten. In der Medizin werden ähnliche Mikrofluidik-Chips verwendet, um zu untersuchen, wie Arterien verstopfen oder wie sich ein Medikament im Blutkreislauf ausbreitet, während sie in der Umwelttechnik zur Untersuchung von Biofilmen oder Verunreinigungen im Trinkwasser eingesetzt werden.

Ein Team von Bauingenieuren der EPFL und Wissenschaftlern der Fakultät für Geowissenschaften und Umwelt der Universität Lausanne hatte die Idee, verschiedene Arten von Bioziden einzubringen, um die komplexen Transport- und Reaktionsphänomene zu verstehen, die bei ihrer Entstehung eine Rolle spielen. Die Doktorandin Ariadni Elmaloglou und Dimitrios Terzis, einer ihrer Doktorväter, injizierten also die Hauptbestandteile des Biozids - Kalzium und Harnstoff - in den Chip, der seinerseits mit verschiedenen Arten von Sand (Meeres-, Wüstensand usw.) gefüllt war, um zu sehen, wie sich die Mineralien bildeten und wie die Strömung darauf reagierte. "Mithilfe des Chips konnten wir beobachten, wie sich die Verteilung der Biozimtmasse in den verschiedenen Mischungen veränderte", erklärt Ariadni Elmaloglou, die ihre Doktorarbeit am Laboratoire de mécaniques des sols (LMS) der EPFL schreibt. "Wir konnten zum Beispiel sehen, wo sich Mineralien gebildet haben und welche Mischungen zu besseren mechanischen Eigenschaften entlang des Flusses führen können. Dank der miniaturisierten Volumina des Chips konnten wir mehrere Experimente mit verschiedenen Mischungen durchführen und schließlich effektive Biozimierungsprotokolle entwerfen."

Test auf einem Meter Länge
Das Forschungsteam hat seine Studie in der Zeitschrift Scientific Reports, die zum Portfolio von Nature gehört, veröffentlicht. Es ist das erste Unternehmen, das verschiedene Materialien auf einer Länge von einem Meter testen konnte, was für die potenziellen Verwendungszwecke von Biozement, wie das Auffüllen von Verwerfungen, dieCO2-Sequestrierung oder die Sanierung von Böden, von Bedeutung ist (siehe Kasten). Alle Daten wurden als Open Source auf einer speziellen Website zur Verfügung gestellt, um die weitere Forschung in diesem Bereich zu fördern.

An der LMS ist die nächste Phase des Projekts bereits in vollem Gange. "Der Einsatz des Chips erleichtert die Verwendung von Aggregaten aus Recyclingmaterial, insbesondere aus Glas, Kunststoff und gebrochenem Beton, als Ersatz für Sand bei der Herstellung von Biozement", erläutert Dimitrios Terzis. Eine Entwicklung, die dazu beitragen wird, dieCO2-Bilanz des Bausektors zu reduzieren, wenn nicht sogar zu revolutionieren, so der Ingenieur. "Die Industrie ist immer noch stark von Beton abhängig, auch wenn die Materialien, die zu seiner Herstellung verwendet werden - insbesondere Sand - immer schwieriger zu finden sind", betont Dimitrios Terzis. "Diese Studie zeigt, dass wir dies durch Interdisziplinarität ändern können. Dafür ist es entscheidend, dass wir offen für andere Forschungsbereiche sind".

Erfindung neuer Biozide
Für seine am LMS durchgeführte Doktorarbeit entwickelte Dimitrios Terzis eine neue Art von Biozid, das aus Bakterien und Harnstoff hergestellt wird. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von Kalziumkarbonatkristallen (CaCO3), um Bodenpartikel anstelle von Zementklinkern aneinander zu binden. Das Ergebnis ist ein biobasiertes Material, das einfach zu verwenden, widerstandsfähig und im Vergleich zu den derzeitigen Bindemitteln, einschließlich Zement, Kalk und Industrieharzen, relativ kostengünstig ist. Bestehende Harze können langfristig relativ instabil werden, den Boden mit Mikroplastik oder toxischen Verbindungen verunreinigen und die Alkalinität des Grundwassers auf Werte über den akzeptablen Grenzwerten erhöhen.

Das von der EPFL entwickelte Biozimt kann vor Ort und bei Raumtemperatur mit geringem Stromverbrauch hergestellt werden. Der Grad der Biozementation kann von Fall zu Fall angepasst werden. Wird eine geringe Menge CaCO3 hinzugefügt, erhält man ein sandsteinähnliches Ergebnis, das also stark genug ist, um den durch Erdbeben induzierten Scherspannungen standzuhalten, die zur Bodenverflüssigung führen können. Andere Anwendungen können helfen, Probleme bei der Stabilisierung von Hängen zu lösen oder bestehende Fundamente zu restaurieren. Wenn man mehr Kalziumkarbonat hinzufügt, erhält man eine Mischung, die als Baumaterial oder zur Abdichtung von Böden verwendet werden kann.
Um ihre Technologie zu vermarkten, gründeten Dimitrios Terzis und Professor Lyesse Laloui 2018 MeduSoil , ein Startup-Unternehmen der EPFL. Das Unternehmen hat bereits Felddemonstrationen ihres Materials in der Schweiz und im Ausland durchgeführt.

Literatur
Ariadni Elmaloglou, Dimitrios Terzis, Pietro De Anna, Lyesse Laloui, "Microfluidic study in a meter-long reactive path reveals how the medium’s structural heterogeneity shapes MICP-induced biocementation", Scientific Reports, 15 November 2022.

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