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Jul 29, 2023

Mit Pilzen die Zukunft gestalten

Die Suche nach erneuerbaren Baumaterialien leitet Professoren im Bauwesen

Die Suche nach erneuerbaren Baumaterialien führt Professoren für Bauingenieurwesen und Architektur in die unerwartete Welt der Pilze.

Professor Zhao Qin (Mitte) arbeitet mit Doktoranden und Studenten zusammen, um ein ganzheitliches Modell des Pilzmyzels auf molekularer Ebene zu erstellen und Einblick in das Potenzial des Myzels für groß angelegte architektonische Anwendungen zu geben.

Als Zhao Qin und Nina Sharifi als neue Fakultätsmitglieder an die Syracuse University kamen, wussten sie alle, dass interdisziplinäre Zusammenarbeit für ihre Ziele von entscheidender Bedeutung sein würde. Sharifi, Professor an der Fakultät für Architektur, war begeistert von der Möglichkeit, erneuerbare Materialien im Hochbau zu verwenden. Qin, Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, wollte die strukturelle Verwendung von Materialien erforschen, die von Tieren, Pflanzen oder Pilzen hergestellt wurden.

„Ich habe immer darüber nachgedacht: ‚Welche Art von Biomaterialien können es uns ermöglichen, von nanoskaligen Materialstudien auf Anwendungen im Bauingenieurwesen wie Infrastruktur oder Großkonstruktionen zu skalieren?‘“, sagt Qin, der 2019 an das College of Engineering and Computer Science in Syracuse kam Er promovierte und arbeitete als wissenschaftlicher Mitarbeiter am MIT, wo er die Mechanik mikroskopischer Proteinnetzwerke untersuchte.

Qin und Sharifi fanden Gemeinsamkeiten im Myzel, einem wurzelähnlichen Pilzbiomaterial, das während des Pilzwachstums entsteht. Myzel bildet ein faseriges Netzwerk unter der Erde und ist für das Pflanzenwachstum und die Pflanzengesundheit unerlässlich. Seine Stränge verbinden sich mit Pflanzenabfällen und bilden einen Verbundstoff, der als nachhaltiges Baumaterial, das in Form von Schaumstoff, Platten oder Vollziegeln mit isolierenden Eigenschaften vorliegen kann, äußerst vielversprechend ist.

Myzel ist ein Bindemittel, verfügt aber auch über diese Widerstandsfähigkeit und Stärke. Wenn man die Wachstumsweise ändert, kann es unglaublich dicht oder leicht, schaumig und durchsichtig sein.

Herkömmliche Baumaterialien wie Stahl und Beton sind energieintensiv in der Herstellung und im Transport, während synthetische Kunststoffe aus Rohöl hergestellt werden und in Faserplatten verwendete Klebstoffe mit der Zeit Giftstoffe freisetzen können. Pilzmyzel hingegen ist leicht, biologisch abbaubar und ungiftig – außerdem stark, langlebig und regeneriert sich schnell.

Die Myzelforschung steckt noch in den Kinderschuhen, daher ist das Gebiet reif für Entdeckungen. Anfang 2020 gründete der Architekturprofessor Daekwon Park mit Sharifi eine Myzel-Forschungsgruppe und öffnete damit die Tür für Sharifis Zusammenarbeit mit Qin. Zu der Gruppe gehörten Scott Erdman, Biologieprofessor aus Syrakus, und Jeongmin Ahn, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, die ebenfalls bestrebt waren, die Möglichkeiten von Myzel aufzudecken. Qin schloss sich ihrem Team an, mit der Absicht, durch Forschung auf mikroskopischer Ebene ein tieferes Verständnis zu vermitteln.

Im Jahr 2022 war Qin Gewinner des CAREER Award der National Science Foundation (NSF), der Dozenten zu Beginn ihrer Karriere für herausragende Forschung auszeichnet. Mit einem Zuschuss von 600.000 US-Dollar führt er Grundlagenforschung durch, die die Verwendung von Myzel durch Architekten beeinflussen könnte.

Qins Ziel ist es, ein ganzheitliches Modell des Myzels und seiner Funktion zu entwickeln, beginnend mit einem Verständnis der Eigenschaften auf molekularer Ebene. „Wir wollen Wissen von der Grundskala aufwärts generieren, das mehrskalige Einblicke und ein zuverlässiges ‚Rezept‘ liefern kann, das es jedem ermöglicht, Biomaterialien herzustellen, die großmaßstäbliche Anforderungen lösen würden“, sagt er.

Myzelproben wachsen auf einer Schicht aus Holzresten, und Forscher manipulieren die Wachstumsbedingungen in einer Klimakammer, um die gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.

Seine Forschung umfasst sowohl physikalische Laborexperimente als auch rechnerische Modellierung. „Es gibt viele Variablen“, erklärt Qin, deren Labor eine Klimakammer zum Züchten von Myzelproben auf einer Schicht aus Holzresten beherbergt. Innerhalb der Kammer manipuliert er Variablen, um gewünschte Eigenschaften zu erzeugen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidgehalt; verschiedene Myzelarten; und verschiedene Holzarten, die das Myzelwachstum und die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts wie Dichte, Leichtigkeit oder Festigkeit beeinflussen können.

Doktoranden und Studenten arbeiten bei diesen Experimenten eng mit Qin zusammen und testen verschiedene Arten von Pflanzenmaterial, auf denen Myzel wachsen kann. „Wir verwenden Eichenholz und Kokosfasern, um Myzel zu züchten und hundeknochenförmige Proben für Tests herzustellen, da die langen Fasern in Kombination mit dem Myzel nützliche Eigenschaften bieten können“, erklärt Doktorand Libin Yang.

Qin und sein Team untersuchen die Myzel- und Holzproben mit einem Rasterelektronenmikroskop und einem Rasterkraftmikroskop, die über das BioInspired Institute der Universität erhältlich sind, das Forschung zur Bewältigung globaler Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit, Medizin und Materialinnovation unterstützt. „Diese Art von Ausrüstung ist für ein einzelnes Labor teuer, aber ich profitiere von den gemeinsamen Einrichtungen“, sagt Qin, der anhand der mikroskopischen Bilder versteht, wie die Myzelfasern mit den Holzfasern interagieren.

Wir haben voneinander gelernt und arbeiten auf mehreren Ebenen zusammen.

Nach der Ernte der Proben erhitzt und komprimiert das Team sie, um ein dichtes, festes Material zu bilden – die Bausteine ​​für Anwendungen in größerem Maßstab. Sie testen die Festigkeit dieser Proben, indem sie sie mechanisch dehnen, um die Kraft zu messen, die erforderlich ist, um sie zu brechen.

Während des gesamten Prozesses verwenden sie ein datengesteuertes Modell, das das Ergebnis jedes physikalischen Experiments verfolgt, um das Design zu optimieren. „Wir korrelieren diese kontrollierten Bedingungen mit der Leistung des Materials am Ende des Tages“, sagt Qin. „Sobald wir mit den vom Modell vorhergesagten Ergebnissen zufrieden sind, können wir die Variablen einfach anpassen, um eine Karte zu erhalten, die uns die Richtung des Experiments vorgibt.“

Qin und die Doktorandin Libin Yang testen die Stärke von Myzelproben mithilfe spezieller Geräte, die die Kraft messen, die erforderlich ist, um sie zu brechen.

Qins Grundlagenforschung wirft Licht auf die Breite der architektonischen Möglichkeiten. „Es gibt viel über die Filamente zu lernen, aus denen Myzel besteht – wie sie wachsen, die Reihenfolge der Strukturen, die sie bilden“, erklärt Sharifi. „Das beeinflusst, was im Maßstab eines Ziegels oder eines Plattenmaterials in einem Gebäude passiert.“

Sharifi beschreibt die Eigenschaften des Myzels voller Ehrfurcht. „Myzel ist ein Bindemittel, aber es hat auch diese Widerstandsfähigkeit und Stärke. Wenn man die Art und Weise ändert, wie es wächst, kann es unglaublich dicht oder leicht und schaumig und durchsichtig sein.“

Sie erinnert sich an ihre Aufregung während der ersten Gespräche mit Park, als sie über die möglichen praktischen Einsatzmöglichkeiten von Myzel diskutierten. „Er brachte so viele großartige Ideen auf den Tisch: einsatzfähige Strukturen, Notfallstrukturen – oder die Idee, dass man ein Gebäude in einem Rucksack zu einem Einsatzort tragen könnte.“

Auch Park ist von der Vielseitigkeit des Myzels inspiriert. „Es hat diese federnde Eigenschaft, sodass es als Material für Luftschutzbunker verwendet werden kann“, sagt er. Es kann auch zur Verhinderung von Bodenerosion eingesetzt werden. „Bei instabilem Boden würden Sie landwirtschaftliche Abfälle ausbringen und dann Myzel darauf wachsen lassen, und die Myzelfasern halten den Boden zusammen“, erklärt Park.

Sobald wir mit den vom Modell vorhergesagten Ergebnissen zufrieden sind, können wir die Variablen einfach optimieren, um eine Karte zu erhalten, die uns die Richtung des Experiments vorgibt.

Die Zusammenarbeit mit Qin erweitert das Verständnis der Gruppe darüber, wie die Manipulation von Myzelfasern auf molekularer Ebene ihre physikalischen Eigenschaften auf struktureller Ebene beeinflussen kann. „Wir haben voneinander gelernt und arbeiten auf mehreren Ebenen zusammen“, sagt Sharifi. „Wir lernen aus den Ergebnissen und stehen erst am Anfang.“

Elizabeth Myers

Diese Geschichte wurde am 16. Februar 2023 veröffentlicht.

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