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Jan 14, 2024

菌類で未来を築く

La ricerca di materiali da costruzione rinnovabili guida i professori di ingegneria civile

再生可能な建築材料の探求により、土木工学と建築の教授たちは、キノコの予期せぬ世界に導かれます。

Zhao Qin教授（中央）は、大学院生や学部生と協力して分子レベルでキノコ菌糸体の全体モデルを作成し、大規模な建築用途における菌糸体の可能性についての洞察を提供しています。

Zhao Qin と Nina Sharifi が新しい教員としてシラキュース大学に着任したとき、彼らはそれぞれ、自分たちの目標には学際的な協力が不可欠であることを認識していました。 建築学部の教授であるシャリフィ氏は、建築に再生可能材料を使用する可能性に興奮していました。 土木および環境工学の教授であるチン氏は、動物、植物、または菌類によって生成される材料の構造的使用を探求したいと考えていました。

「『どのような生体材料を使えば、ナノスケールの材料研究から、インフラや大規模設計などの土木工学への応用まで拡張できるだろうか』とずっと考えていました」と、2019年にシラキュースの工学・コンピューターサイエンス大学に入学した秦氏は言う。博士号を取得し、MIT で研究科学者として働き、微細なタンパク質ネットワークの仕組みを研究しています。

チン氏とシャリフィ氏は、キノコの成長中に生成される根のような菌類の生体材料である菌糸体に共通点を発見した。 菌糸体は土壌の下で繊維状のネットワークを形成し、植物の成長と健康に不可欠です。 そのストランドは植物廃棄物と結合し、断熱特性を備えた発泡体、パネル、または固体レンガの形をとることができる持続可能な建築材料として非常に有望な複合材料を作成します。

菌糸体は結合剤ですが、弾力性と強度も備えています。 成長方法を変えると、信じられないほど高密度になることも、軽くて泡状で透明になることもできます。

鉄鋼やコンクリートなどの従来の建築材料は、製造と輸送にエネルギーを大量に消費しますが、合成プラスチックは原油から作られており、ファイバーボードに使用されている接着剤は時間の経過とともに毒素を放出する可能性があります。 対照的に、キノコの菌糸体は軽量で生分解性があり、無毒であるだけでなく、強くて耐久性があり、再生が早いです。

菌糸体の研究は初期段階にあるため、この分野は発見の機が熟しています。 2020年初め、建築学教授のデクォン・パーク氏はシャリフィ氏と菌糸体研究グループを結成し、シャリフィ氏と秦氏の協力への扉を開いた。 このグループには、シラキュースの生物学教授スコット・アードマンと機械航空宇宙工学教授ジョンミン・アンが含まれており、彼らも菌糸体の可能性を明らかにすることに熱心でした。 秦氏は顕微鏡レベルの研究を通じてより深い理解を提供することを目指してチームに加わりました。

2022 年、秦教授は、優れた研究に対してキャリア初期の教員を表彰する国立科学財団 (NSF) キャリア賞を受賞しました。 彼は 60 万ドルの助成金を得て、建築家による菌糸体の使用法に役立つ可能性のある基礎研究を行っています。

Qin の目標は、分子レベルでの特性の理解から始めて、菌糸体とその機能の全体的なモデルを開発することです。 「私たちは、大規模な要件を解決する生体材料を誰でも生産できるように、マルチスケールの洞察と信頼できる「レシピ」を提供できる基本スケール以上の知識を生み出したいと考えています。」と彼は言います。

菌糸体サンプルは木質破片の層上で成長し、研究者は気象室で成長条件を操作して望ましい特性を生み出します。

彼の研究には、物理​​的な実験室実験と計算モデリングの両方が含まれます。 「変動要素がたくさんあります」と Qin 氏は説明します。彼の研究室には、木の破片の層で菌糸体サンプルを成長させるための恒温室があります。 チャンバー内で変数を操作して、温度、湿度、二酸化炭素レベルなどの望ましい特性を作り出します。 異なる菌糸体種。 菌糸体の成長や最終製品の密度、軽さ、強度などの機械的特性に影響を与える可能性があるさまざまな種類の木材。

大学院生と学部生はこれらの実験で秦氏と緊密に協力し、菌糸体が成長できるさまざまな種類の植物材料をテストします。 「私たちはオークの木とココナッツの繊維を使って菌糸体を成長させ、試験用に犬の骨の形のサンプルを作ります。なぜなら、長い繊維は菌糸体と組み合わせると有用な特性をもたらす可能性があるからです」と博士課程の学生、リビン・ヤンは説明する。

秦氏と彼のチームは、健康、医療、材料革新における世界的な課題に取り組む研究を支援する同大学のバイオインスパイアード研究所を通じて入手可能な走査型電子顕微鏡と原子間力顕微鏡を使用して、菌糸体と木材のサンプルを検査している。 「この種の装置は個人の研究室にとっては高価ですが、共有施設の恩恵を受けています」と顕微鏡画像を使って菌糸体繊維が木材繊維とどのように相互作用するかを理解するチン教授は言う。

私たちはお互いから学び、さまざまな規模で協力して取り組んでいます。

サンプルを採取した後、チームはサンプルを加熱および圧縮して、大規模なアプリケーションの構成要素である高密度の固体材料を形成します。 これらのサンプルを機械的に引き伸ばして、破壊するのに必要な力の量を測定することで、サンプルの強度をテストします。

プロセス全体を通じて、各物理実験の結果を追跡するデータ駆動型モデルを採用して設計を最適化します。 「私たちは、これらの制御された条件を、最終的に材料のパフォーマンスに関連付けます」と Qin 氏は言います。 「モデルが予測する結果に満足したら、変数を簡単に調整して、実験の方向性を示すマップを取得できます。」

Qin さんと博士課程の学生 Libin Yang さんは、菌糸体サンプルを破壊するのに必要な力の量を測定する特殊な装置を使用して、菌糸体サンプルの強度をテストします。

秦氏の基礎研究は、建築の幅広い可能性を明らかにしています。 「菌糸体を構成するフィラメントについては、どのように成長するのか、どのような構造を作るのかなど、学ぶべきことがたくさんあります」とシャリフィ氏は説明する。 「それは、建物のレンガやシート材料のスケールで何が起こるかに影響を与えます。」

シャリフィは菌糸体の特性を畏怖の念を込めて説明する。 「菌糸体は結合剤ですが、同時に弾力性と強度も持っています。成長方法を変えると、信じられないほど高密度になることも、軽くて泡状で透明になることもできます。」

彼女は、菌糸体の実用的な用途の可能性について話し合った初期のパーク氏との会話での興奮を思い出します。 「彼は、展開可能な構造物、緊急構造物、あるいは建物をバックパックに入れて現場まで運ぶというアイデアなど、非常に多くの素晴らしいアイデアをテーブルにもたらしました。」

パーク氏も同様に、菌糸体の多用途性にインスピレーションを受けています。 「弾むような性質があるので、防空壕の材料として使用できます」と彼は言います。 土壌浸食の防止にも使用できます。 「不安定な土壌の場合は、農業廃棄物を散布し、その上で菌糸体を成長させます。菌糸体の繊維が土壌を保持します」とパーク氏は説明します。

モデルが予測する結果に満足したら、変数を簡単に調整して、実験の方向性を示すマップを取得できます。

秦氏との協力により、分子レベルでの菌糸体繊維の操作が構造スケールでの物理的特性にどのように影響するかについて、グループの理解が広がっています。 「私たちはお互いから学び、さまざまな規模で協力して取り組んでいます」とシャリフィ氏は言います。 「我々は結果から学んでいるが、まだ始まりに過ぎない。」

エリザベス・マイヤーズ

この記事は 2023 年 2 月 16 日に公開されました。

シラキュース大学はトップクラスの国際研究大学であり、学術研究があらゆる分野にまたがり、統合されています。 教員と学生は協力して、社会が直面している問題と、地域社会、州、国、世界レベルで影響を与える革新的な解決策についての基本的な理解を促進する研究、奨学金、創造的な作品を生み出します。

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