What if cracks in concrete could fix themselves? - Congrui Jin

Translator: Masood Mousavi Reviewer: Leila Ataei

Concrete is the most widely used

بتن پرکاربردترین

construction material in the world.

مصالح ساختمانی در جهان است.

It can be found in swathes of city pavements,

می‌توان آن را در روسازی راه‌های شهری،

bridges that span vast rivers,

پل‌هایی که در دهانه رودخانه‌ها ایجادشده‌اند،

and the tallest skyscrapers on earth.

و بلندترین آسمان‌خراش‌های روی زمین یافت.

But this sturdy substance

اما این ماده محکم

does have a weakness:

یک ضعف دارد:

it’s prone to catastrophic cracking

مستعد ابتلا به ترک‌های فاجعه‌بار است

that costs tens of billions of dollars

که سالانه ده‌ها میلیارد دلار هزینه

to repair each year.

برای تعمیرات در پی دارد.

چه می‌شد اگر می‌توانستیم از این مشکل جلوگیری کنیم،

But what if we could avoid that problem,

by creating concrete that heals itself?

با ایجاد بتنی که خود را ترمیم کند؟

This idea isn’t as far-fetched

این ایده خیلی دور از ذهن نیست

as it may seem.

آن‌قدر که به نظر می‌رسد.

It boils down to an understanding

برای درک آن باید بدانیم

of how concrete forms,

بتن چگونه شکل می‌گیرد،

and how to exploit that process

و چگونه از این روند

to our benefit.

به نفع خودمان استفاده کنیم.

Concrete is a combination of coarse stone

بتن ترکیبی از سنگ درشت

and sand particles, called aggregates,

و ذرات شن و ماسه است که سنگ‌دانه‌ نامیده می‌شود،

that mix with cement, a powdered blend

و با سیمان که یک ترکیب پودری،

of clay and limestone.

از خاک رس و سنگ آهک است، مخلوط می‌شود.

When water gets added to this mix,

وقتی آب به این مخلوط اضافه شد،

the cement forms a paste and

سیمان به شکل خمیر درمی‌آید

coats the aggregates, quickly hardening

و سنگ‌دانه‌ها را به‌ سرعت سخت می‌کند

through a chemical reaction

از طریق یک واکنش شیمیایی

called hydration.

که هیدراتاسیون نامیده می‌شود.

Eventually, the resulting material

سرانجام، ماده حاصل

grows strong enough to prop up buildings

به‌اندازه کافی محکم می‌شود تا ساختمان‌هایی را ایجاد کند

that climb hundreds of meters

که صدها متر

into the sky.

در آسمان بالا می‌روند.

While people have been using

درحالی‌که مردم

a variety of recipes to produce cement

انواع دستورالعمل‌ها را برای تولید سیمان

for over 4,000 years,

در طول ۴,۰۰۰ سال پیش استفاده کرده‌اند،

concrete itself

خود بتن

has a surprisingly short lifespan.

به‌طور شگفت‌آوری عمر کوتاهی دارد.

After 20 to 30 years,

بعد از ۲۰ تا ۳۰ سال،

natural processes like concrete shrinkage,

فرآیندهای طبیعی مانند کوچک شدن بتن،

excessive freezing and thawing,

فرآیندهای ذوب و یخ بیش‌ازحد،

and heavy loads can trigger cracking.

و بارهای سنگین، می‌توانند باعث ترک‌خوردگی شود.

And it’s not just big breaks that count:

و اینطور نیست که فقط ترک‌های بزرگ اهمیت داشته باشند:

tiny cracks can be just as dangerous.

ترک‌های کوچک هم می‌توانند به همان اندازه خطرناک باشند.

Concrete is often used

اغلب‌اوقات بتن

به‌عنوان یک پشتیبان ثانویه

as a secondary support

around steel reinforcements.

در اطراف آرماتورهای فولادی استفاده می‌شود.

In this concrete, even small cracks

در این بتن، حتی ترک‌های کوچک نیز

can channel water, oxygen,

می‌توانند راهی برای عبور آب، اکسیژن،

and carbon dioxide that corrode the steel

و کربن دی‌اکسید باشد که منجر به تخریب فولاد می‌شود.

and lead to disastrous collapse.

و منجر به تخریب‌های خطرناک می‌شود.

On structures like bridges and highways

در سازه‌هایی مانند پل‌ها و بزرگراه‌ها

that are constantly in use,

که دائماً در حال استفاده هستند،

detecting these problems

تشخیص این مشکلات

before they lead to catastrophe

قبل از اینکه آن‌ها به فاجعه منجر شوند

becomes a huge and costly challenge.

به یک چالش بزرگ و پرهزینه تبدیل شده است.

But not doing so

اما نه‌ فقط این،

would also endanger thousands of lives.

بلکه جان هزاران نفر را هم به خطر می‌اندازد.

Fortunately, we’re already experimenting

خوشبختانه، ما در حال آزمایشِ

روش‌هایی هستیم که این ماده

with ways this material

could start fixing itself.

می‌تواند خودش را ترمیم کند.

And some of these solutions

و برخی از این راه‌حل‌ها

are inspired by concrete’s

با الهام از

natural self-healing mechanism.

مکانیسم طبیعی خود درمانی بتن است.

When water enters these tiny cracks,

وقتی آب وارد این ترک‌های ریز و درشت می‌شود،

it hydrates the concrete’s calcium oxide.

اکسید کلسیم، بتن را هیدراته می‌کند.

The resulting calcium hydroxide

هیدروکسید کلسیم حاصل با

reacts with carbon dioxide in the air,

دی‌اکسید کربن موجود در هوا واکنش می‌دهد،

starting a process called

شروع به فرآیندی به نام

autogenous healing, where

ترمیم خودبه‌خود می‌کند، که در آن

microscopic calcium carbonate crystals

بلورهای کربنات کلسیم بسیار کوچک

form and gradually fill the gap.

به‌ تدریج شکاف را پر می‌کنند.

Unfortunately, these crystals

متأسفانه، این بلورها

can only do so much, healing cracks

خیلی که کار کند، فقط ترک‌هایی را که

that are less than 0.3mm wide.

کمتر از ۰٫۳ میلی‌متر عرض دارند ترمیم می‌کند.

Material scientists have figured out how

دانشمندان مواد شناسی فهمیدند که چگونه

to heal cracks up to twice that size by

ترک‌هایی را با اندازه‌ای دو برابری هم ترمیم کنند

adding hidden glue into the concrete mix.

با اضافه کردن چسب مخفی به مخلوط بتن.

If we put adhesive-filled fibers

اگر الیافی را که از چسب پرشده‌اند

به همراه لوله‌هایی در داخل بتن بگذاریم،

and tubes into the mixture,

they’ll snap open when a crack forms,

زمانی که ترکی ایجاد شود، آن‌ها هم ناگهان باز می‌شوند،

releasing their sticky contents

و محتویات چسبنده را آزاد می‌کنند

and sealing the gap.

و شکاف را آب‌بندی می‌کنند.

But adhesive chemicals often behave

اما خصوصیات شیمیایی مواد چسبی اغلب

very differently from concrete,

بسیار متفاوت‌تر از بتن رفتار می‌کنند،

and over time, these adhesives

و با گذشت زمان، این چسب‌ها

can lead to even worse cracks.

می‌توانند منجر به ترک‌هایی حتی بدتر از قبل شوند.

So perhaps the best way to heal

بنابراین شاید بهترین راه برای بهبود

large cracks is to give concrete

ترک‌های بزرگ این است که به بتن

the tools to help itself.

ابزارهایی برای کمک به خودش بدهیم.

Scientists have discovered that

دانشمندان کشف کرده‌اند که

some bacteria and fungi

برخی از باکتری‌ها و قارچ‌ها

can produce minerals,

می‌توانند مواد معدنی تولید کنند،

including the calcium carbonate

ازجمله کربنات کلسیم که

found in autogenous healing.

می‌تواند در خود ترمیمی بتن مؤثر باشد.

Experimental blends of concrete

مخلوط‌های آزمایشی بتن

include these bacterial or fungal spores

شامل هاگ‌های باکتری‌ها یا قارچ‌ها

alongside nutrients in their concrete mix,

در کنار مواد مغذی موجود در مخلوط بتنی آن‌ها،

where they could lie dormant

جایی است که آن‌ها می‌توانند

for hundreds of years.

برای صدها سال به خواب بروند.

When cracks finally appear

سرانجام، وقتی ترکی ظاهر شود

and water trickles into the concrete,

و آب به درون بتن برود،

the spores germinate, grow, and consume

هاگ‌ها جوانه می‌زنند، رشد می‌کنند

و مواد مغذی که آن‌ها را احاطه کرده است مصرف می‌کنند،

the nutrient soup that surrounds them,

modifying their local environment

محیط پیرامون خود را

to create the perfect conditions

برای ایجاد شرایطی عالی

for calcium carbonate to grow.

به‌منظور رشد کربنات کلسیم تغییر می‌دهند.

These crystals gradually fill the gaps,

این بلورها به‌تدریج شکاف‌ها را پُر می‌کنند،

and after roughly three weeks,

و بعد از تقریباً سه هفته،

the hard-working microbes

میکروب‌های سخت‌کوش

can completely repair cracks

می‌توانند ترک‌هایی

up to almost 1mm wide.

تقریباً تا عرض ۱ میلی‌متر را کاملاً تعمیر کنند.

When the cracks seal,

the bacteria or fungi will make spores

باکتری‌ها یا قارچ‌ها هاگ‌هایی را ایجاد می‌کنند

and go dormant once more—

و یک بار دیگر به خواب می‌روند --

ready to start a new cycle of self-healing

و برای شروع یک چرخه دیگر از خود درمانی آماده می‌شوند

when cracks form again.

وقتی‌ دوباره ترک‌هایی ایجاد شود.

Although this technique

اگرچه این روش

has been studied extensively,

به‌طور گسترده‌ مورد مطالعه قرار گرفته،

we still have a ways to go

اما راه‌هایی دیگری هم

before incorporating it

قبل از بکار گیری این روش

in the global production of concrete.

در تولید جهانی بتن هست.

But, these spores have huge potential

اما، این هاگ‌ها پتانسیل زیادی

to make concrete

برای ایجاد بتن‌هایی

more resilient and long-lasting—

بسیار انعطاف‌پذیرتر و ماندگارتر دارند —

which could drastically reduce

که می‌توانند به‌شدت

the financial and environmental cost

هزینه‌های مالی و زیست‌محیطی

of concrete production.

تولید بتن را کاهش دهد.

Eventually, these microorganisms

سرانجام، این میکروارگانیسم‌ها

may force us to reconsider

ممکن است ما را وادار به تجدیدنظر کنند

the way we think about our cities,

در مورد آنچه درباره شهرها می‌اندیشیم،

bringing our inanimate concrete jungles

آوردن محیط‌های بی روح و نامطلوب زندگی

to life.

به زندگی.