Интересные факты о строительстве: гемацит и другие строительные материалы из крови

1. Немного химии.

С появлением синтетических полимеров, выпускаемых промышленным путем, экологическая ситуация в мире стала заметно ухудшаться, и сегодня этот процесс продолжает набирать темпы. Можно ли его остановить? Для этого человечеству необходимо перейти на более безопасные для природы биоразлагаемые материалы, способные предотвратить накопление мусора на планете. Что это могут быть за материалы? Возможно, ответ на этот вопрос следует искать в относительно недавнем прошлом, когда люди для самых разных целей, в том числе для производства композитных материалов, применяли натуральное сырье, например кровь.

Около 60 процентов растворимых белков крови составляет сывороточный альбумин - «молекула-такси», как ее иногда называют за способность связываться с молекулами как органической, так и неорганической природы и выполнять их транспорт в крови и межклеточной жидкости. Одна молекула альбумина может одновременно связать 25 - 50 крупных молекул билирубина - продукта расщепления некоторых белков. Возможность «прилеплять» разные по химической природе вещества определяется наличием в молекуле белка множества разнообразных функциональных групп и липофильных частей. Это свойство альбумина позволило, например, первым предприятиям по производству сахара использовать кровь для очистки первичного сахарного сиропа.

Исследования термодинамики свертываемости альбумина показывают, что перед тем, как окончательно и бесповоротно (необратимо) денатурировать, он проходит через промежуточную обратимую стадию. На этой стадии длинная свернутая молекула белка разворачивается и соединяется с несколькими соседними такими же молекулами. Образуется так называемый олигомер - цепь из нескольких белковых звеньев. При температуре выше 74 градусов Цельсия олигомеры соединяются друг с другом и полученные цепочки удобно укладываются и образуют единую белковую сетку, после чего перевести белок обратно в растворимое состояние уже невозможно.

2. Первые строительные материалы с использованием крови.

Кровь рогатого скота издавна использовали для изготовления разных видов «цемента», которые могли содержать не только бычий альбумин, но и белки из яиц, молока и сыра.

В одном из древних китайских рецептов такого цемента рекомендовано смешать 100 частей гашеной извести, 75 частей крови быка и две части квасцов. Взаимодействуя с квасцами, кальций образовывал из извести сульфат, который мог затвердевать в естественных условиях, образуя кристаллогидрат, а денатурированные белки играли роль связующего компонента.

Ученые нашли следы крови и в материалах стен древнего города Мира (Myra), возведенных во времена Римской империи. Сооружению удалось простоять до наших дней благодаря гемоглобину, который, захватывая кислород, стимулировал образование небольших пузырьков, укреплявших «кровавый» бетон. Вовлечение воздуха в бетон, как сейчас называют такую процедуру, увеличивают устойчивость бетона к внутренним расширениям. Мелкие пузырьки размерами до одного миллиметра, которые при соблюдении технологии равномерно заполняют бетон, повышают его стойкость к климатическим изменениям и появлению трещин, снижая внутреннее трение в бетоне. Сами римляне вряд ли догадывались об этом, но французский изобретатель Шарль Лалеман (Charles Laleman) понял, что именно гемоглобин способствует снижению как веса бетона, так и его теплопроводности (вовлечение пузырьков воздуха, плохо проводящего тепло, повышает изолирующие свойства материала в целом). В 1980 году он запатентовал технологии производства цемента, бетона и известкового раствора из высушенной крови животных.

3. Гемацит.

В 1892 году в январском выпуске американского журнала Manufacturer and Builder вышла статья об изобретении доктора У.Х. Диббла (W.H. Dibble) из Трентона, штат Нью-Джерси, на которое он получил патент еще в 1877 году. Речь шла о промышленном производстве дешевого, прочного, стойкого к температурным и атмосферным колебаниям материала. Хотя гемацит (hemacite), как назвал свое изобретение доктор Диббл, представлял из себя смесь крови с опилками и химическими добавками, полученную под давлением 40 000 фунтов (1 английский фунт – около 0,545 килограмм) на квадратный дюйм (1 английский дюйм – около 2,54 сантиметров), изделия из него выходили довольно приятными на вид и на ощупь. Именно гемацит стал первым материалом на основе крови, который применялся в современной строительной отрасли.

Дверная ручка из гемацита в викторианском стиле:

Фотография с сайта nplus1.ru.

Компания Dibble's Hemacite Manufacturing Company производила из гемацита материалы для внутренней отделки помещений, дверные ручки, кнопки для кассовых аппаратов, а потом и колеса для роликовых коньков. Можно сказать, что гемацит был аналогом современного пластика. Однако такой полимер отличался от синтетических тем, что под действием ферментов мог разлагаться на низкомолекулярные вещества, а под давлением или под действием химических веществ — и вовсе переходить в исходное водорастворимое состояние, то есть ренатурировать. Можно сказать, что Дибблу удалось создать настоящий биоразлагаемый композитный материал. К началу ХХ века Dibble's Hemacite Manufacturing Company пережила пожар на производстве, переезд в другое здание и смену названия. Подкосило ее лишь появление еще более дешевого синтетического материала - бакелита, запатентованного в 1909 году Лео Баккеландом, через год основавшим компанию Bakelite Corporation. Тем не менее изделия из гемацита до сих пор находятся в рабочем состоянии, и их даже можно купить.

4. Альбуминовый клей - хаскелит.

Как уже говорилось, в структуру альбумина входит множество различных функциональных групп, которые могут образовывать слабые, но многочисленные связи с различными молекулами. Под действием щелочи, например гашеной извести, белок приобретает высокий заряд, его конформация изменяется, макромолекулы белка «распрямляются» и укладываются друг относительно друга так, что раствор густеет и становится липким. Это свойство позволяет предположить, что альбумин может стать хорошим клеем. Большое число гидроксильных групп в составных веществах древесины образуют водородные связи с заряженными центрами белка. Таких связей образуется достаточно много, чтобы альбуминовый клей мог надежно прикрепиться к деревянной поверхности. Но для того, чтобы поверхности не расклеились, силы взаимодействия между молекулами альбумина тоже должны быть достаточно сильными. Для этого склеенные изделия подвергают действию высоких температур, в результате чего белок денатурирует и клей твердеет.

В 1913 году американский изобретатель Генри Хаскел (Henry L. Haskell) использовал адгезивные свойства сывороточного белка и изобрел гидрофобный клей из бычьего альбумина, способный склеивать фанерные листы. Материал был назван хаскелитом в честь изобретателя и производился компанией Haskell Manufacturing в Мичигане. Из него делали самолеты, лодки, понтоны, двери, полы, крыши и другие конструктивные элементы.

Мужчины стоят около листа хаскелита размером 636х88 английских дюймов (около 16,15х2,35 метра):

Фотография с сайта en.wikipedia.org.

5. Кирпичи из крови.

В 2012 году, британcкий архитектор Джек Манро (Jack Munro) в своей магистерской работе описал технологию создания кирпичей из крови коров. Возмутившись тем, что почти все здания сегодня возводятся из железобетона, который не всегда доступен в бедных странах, он нашел альтернативный строительный материал. Обсудив идею с фермерами, Манро взял около 30 литров свежей крови, которую может получить из одной коровы, и смешал ее с антикоагулянтом ЭДТА для предотвращения свертывания, консервантом - азидом натрия, чтобы кровь не испортилась, и наполнителями - песком и водой. Получившуюся смесь архитектор залил в формы и обжигал кирпичи в сушильном шкафу при температуре 70 градусов Цельсия. Антикоагулянт не давал образовываться фибрину при контакте крови с воздухом, иначе она стала бы вязкой и менее текучей, сворачиваясь комками прямо в кирпиче. Азид натрия препятствовал распространению микроорганизмов, но не менял консистенции крови, что делало его отличным консервантом.

Британский архитектор лишь подтвердил древний рецепт, о котором писалось выше, в современных условиях. Его технология требует дальнейших улучшений по обжигу, варьированию соотношений компонентов и оптимизации процесса.

«Кирпичи из крови», разработанные Джеком Манро:

Фотография с сайта nplus1.ru.

Однако у «кирпичей из крови» Манро есть и существенный недостаток - они обходятся довольно дорого. В зависимости от количества используемого песка из крови одной среднестатистической коровы можно получить до четырех кубических дециметров материала, то есть один квадратный кирпич размерами 16х16х16 сантиметров. Чтобы построить стену высотой два метра, длиной пять метров и толщиной в один такой кирпич, понадобится кровь примерно 400 коров, а закупать сывороточный альбумин для строительства стен совершенно не целесообразно. Поэтому жизнеспособность идеи Манро в промышленных объемах весьма сомнительна. Именно по этой причине эти и другие изобретения (например, Джон Норман (John Norman) из штата Огайо еще в 1909 году придумал строительный материал из костей, цемента, асбеста и крови, а тремя годами позднее Конрад Стайнбо (Conrad Stinebaugh) предложил добавлять в цемент только кровь), связанные с применением крови, в конечно счете проиграли более индустриальным материалам, прежде всего синтетическим полимерам. Конечно, использовать кровь было бы предпочтительней с экологической точки зрения, так как биополимеры из денатурированных белков легче поддаются переработке и разложению на низкомолекулярные вещества. Однако на сегодняшний день экономичность все еще берет верх над экологичностью.

Использованы материалы из статьи «Кровь и бетон. Что такое гематоген в мире композитов» Алины Кротовой, размещенной на сайте nplus1.ru.