Construyendo el futuro con hongos

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May 14, 2023

Construyendo el futuro con hongos

La búsqueda de materiales de construcción renovables lleva a los profesores de ingeniería civil

La búsqueda de materiales de construcción renovables lleva a los profesores de ingeniería civil y arquitectura al inesperado mundo de los hongos.

El profesor Zhao Qin (centro) trabaja con estudiantes de pregrado y posgrado para crear un modelo holístico de micelio de hongo a nivel molecular, lo que brinda información sobre el potencial del micelio para usos arquitectónicos a gran escala.

Cuando Zhao Qin y Nina Sharifi llegaron a la Universidad de Syracuse como nuevos profesores, sabían que la colaboración interdisciplinaria sería esencial para sus objetivos. Sharifi, profesor de la Escuela de Arquitectura, estaba entusiasmado con la posibilidad de utilizar materiales renovables en la construcción de edificios. Qin, profesor de ingeniería civil y ambiental, quería explorar los usos estructurales de materiales producidos por animales, plantas u hongos.

"Seguí pensando: '¿Qué tipo de biomateriales pueden permitirnos escalar desde el estudio de materiales a nanoescala hasta aplicaciones de ingeniería civil, como infraestructura o diseños a gran escala?'", dice Qin, quien llegó a la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Computación de Syracuse en 2019 después de obteniendo un doctorado y trabajando como científico investigador en el MIT estudiando la mecánica de las redes de proteínas microscópicas.

Qin y Sharifi encontraron puntos en común en el micelio, un biomaterial fúngico similar a una raíz que se produce durante el crecimiento de los hongos. El micelio forma una red fibrosa debajo del suelo y es esencial para el crecimiento y la salud de las plantas. Sus hilos se unen a los desechos de las plantas, creando un compuesto que muestra una gran promesa como material de construcción sostenible que puede tomar la forma de espuma, paneles o ladrillos sólidos, con propiedades aislantes.

El micelio es un aglutinante, pero también tiene esta resistencia y fuerza. Si cambias la forma en que crece, puede ser increíblemente denso o puede ser ligero, espumoso y diáfano.

Los materiales de construcción convencionales, como el acero y el hormigón, requieren mucha energía para su producción y transporte, mientras que los plásticos sintéticos están hechos de petróleo crudo y los adhesivos utilizados en los tableros de fibra pueden liberar toxinas con el tiempo. El micelio de hongos, por el contrario, es liviano, biodegradable y no tóxico, además de fuerte, duradero y de rápida regeneración.

La investigación del micelio está en su infancia, por lo que el campo está maduro para ser descubierto. A principios de 2020, el profesor de arquitectura Daekwon Park formó un grupo de investigación de Mycelium con Sharifi, lo que abrió la puerta a la colaboración de Sharifi con Qin. El grupo incluía al profesor de biología de Syracuse, Scott Erdman, y al profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial, Jeongmin Ahn, quienes también estaban ansiosos por descubrir las posibilidades del micelio. Qin se unió a su equipo con la intención de proporcionar una comprensión más profunda a través de la investigación a nivel microscópico.

En 2022, Qin ganó el premio CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), que reconoce a los profesores al principio de sus carreras por una investigación sobresaliente. Con una subvención de $ 600,000, está realizando una investigación fundamental que podría informar los usos del micelio de los arquitectos.

El objetivo de Qin es desarrollar un modelo holístico del micelio y su función, comenzando con la comprensión de las propiedades a nivel molecular. "Queremos generar conocimiento desde la escala fundamental en adelante que pueda proporcionar información a múltiples escalas y una 'receta' confiable para permitir que cualquier persona produzca biomateriales que resuelvan los requisitos a gran escala", dice.

Las muestras de micelio crecen sobre una capa de desechos leñosos y los investigadores manipulan las condiciones de crecimiento en una cámara climática para producir las características deseadas.

Su investigación involucra tanto experimentos físicos de laboratorio como modelos computacionales. "Hay muchas variables", explica Qin, cuyo laboratorio alberga una cámara climática para cultivar muestras de micelio en una capa de desechos leñosos. Dentro de la cámara, manipula variables para producir las características deseadas: temperatura, humedad y niveles de dióxido de carbono; diferentes especies de micelio; y varios tipos de madera que pueden influir en el crecimiento del micelio y en las propiedades mecánicas del producto acabado, como la densidad, la ligereza o la resistencia.

Los estudiantes de posgrado y pregrado trabajan en estrecha colaboración con Qin en estos experimentos, probando diferentes tipos de material vegetal en el que puede crecer el micelio. "Usamos madera de roble y fibras de coco para cultivar micelio y hacer muestras en forma de hueso de perro para las pruebas porque las fibras largas pueden proporcionar propiedades útiles cuando se combinan con el micelio", explica el estudiante de doctorado Libin Yang.

Qin y su equipo examinan las muestras de micelio y madera utilizando un microscopio electrónico de barrido y un microscopio de fuerza atómica disponibles a través del Instituto BioInspired de la Universidad, que apoya la investigación que aborda los desafíos globales en salud, medicina e innovación de materiales. "Ese tipo de equipo es costoso para un laboratorio individual, pero me beneficio de las instalaciones compartidas", dice Qin, quien usa las imágenes microscópicas para comprender cómo interactúan las fibras de micelio con la fibra de madera.

Hemos aprendido unos de otros y estamos trabajando en colaboración en múltiples escalas.

Después de recolectar las muestras, el equipo las calienta y las comprime para formar un material sólido y denso, los componentes básicos para aplicaciones a mayor escala. Prueban la resistencia de estas muestras estirándolas mecánicamente para medir la cantidad de fuerza necesaria para romperlas.

A lo largo del proceso, emplean un modelo basado en datos que rastrea el resultado de cada experimento físico para optimizar el diseño. "Correlacionamos esas condiciones controladas con el rendimiento del material al final del día", dice Qin. "Una vez que estamos satisfechos con los resultados que predice el modelo, podemos ajustar fácilmente las variables para obtener un mapa que nos indique la dirección a seguir en el experimento".

Qin y el estudiante de doctorado Libin Yang prueban la fuerza de las muestras de micelio utilizando un equipo especializado que mide la cantidad de fuerza necesaria para romperlas.

La investigación fundamental de Qin arroja luz sobre la amplitud de las posibilidades arquitectónicas. "Hay mucho que aprender sobre los filamentos que forman el micelio: cómo crecen, el orden de las estructuras que crean", explica Sharifi. "Eso influye en lo que sucede a la escala de un ladrillo o un material laminar en un edificio".

Sharifi describe las propiedades del micelio con asombro. "El micelio es un aglutinante, pero también tiene esta resistencia y fuerza. Si cambia la forma en que crece, puede ser increíblemente denso o puede ser ligero, espumoso y diáfano".

Ella recuerda su entusiasmo durante las primeras conversaciones con Park mientras discutían el rango potencial de usos prácticos del micelio. "Puso tantas ideas geniales sobre la mesa: estructuras desplegables, estructuras de emergencia, o la idea de que podrías llevar un edificio en una mochila a un sitio".

Park también se inspira en la versatilidad del micelio. "Tiene esta cualidad hinchable, por lo que puede usarse como material de refugio antiaéreo", dice. También se puede utilizar para prevenir la erosión del suelo. "Para suelos inestables, aplicaría desechos agrícolas y luego cultivaría micelio en ellos, y las fibras de micelio mantienen unido el suelo", explica Park.

Una vez que estamos satisfechos con los resultados que predice el modelo, podemos ajustar fácilmente las variables para obtener un mapa que nos indique la dirección a seguir en el experimento.

La colaboración con Qin está ampliando la comprensión del grupo sobre cómo la manipulación de las fibras de micelio a nivel molecular puede influir en sus propiedades físicas a escala estructural. "Hemos aprendido unos de otros y estamos trabajando en colaboración en múltiples escalas", dice Sharifi. "Estamos aprendiendo de los resultados, y solo estamos al principio".

elizabeth myers

Esta historia fue publicada el 16 de febrero de 2023.

Syracuse University es una universidad de investigación internacional de primer nivel, donde la investigación académica abarca y une una amplia gama de disciplinas. El cuerpo docente y los estudiantes colaboran para producir investigaciones, becas y trabajos creativos que mejoren nuestra comprensión fundamental de los problemas que enfrenta la sociedad y las soluciones innovadoras que tienen un impacto a nivel comunitario, estatal, nacional y mundial.

Un científico teórico y un ingeniero experimental unen sus fuerzas para resolver problemas de salud pública.

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