到目前为止，微流控芯片被用于医学和环境研究。来源：阿兰·赫尔佐格 / 2022 年洛桑联邦理工学院
来自洛桑联邦理工学院和洛桑大学的科学家使用了一种最初为环境科学设计的芯片来研究生物水泥形成的特性。这种材料有可能在某些土木工程应用中取代传统的水泥粘合剂。
芯片有信用卡大小，表面刻有一条从头到尾一米长的流道，粗如人的头发。研究人员可以将溶液注入通道的一端，并在延时显微镜的帮助下，在几个小时内观察溶液的行为。医学科学家已经将类似的芯片用于医疗保健应用，例如检查动脉如何堵塞或药物如何扩散到血液中，而环境工程师则将它们应用于饮用水中的生物膜和污染物的研究。
现在，洛桑联邦理工学院土壤力学实验室（LMS）的土木工程师团队与洛桑大学（UNIL）地球科学与环境学院的科学家一起，重新利用了芯片来理解涉及形成新型生物水泥的复杂运输反应现象。
博士生Ariadni Elmaloglou与EPFL土壤力学实验室（LMS）的论文导师Dimitrios Terzis一起，将生物水泥溶液注入类似于不同类型沙子的微流体芯片中，以查看矿物质如何形成和流动反应。除了沙子类型，其他主要的生物水泥成分 - 钙和尿素 - 保持不变。
“多亏了芯片，我们能够观察到不同混合物中生物水泥质量分布的变化，”Elmaloglou说。“例如，我们可以看到矿物在哪里形成，以及哪些混合物可以在长流路径上产生卓越的机械性能。由于其体积的小型化，该芯片使我们能够使用不同的混合物进行多次实验，以设计有效的生物胶合方案。
米长测试
工程师的发现刚刚发表在《科学报告》上。他们是第一个实时检查一米长度的生物水泥形成的研究，这对于许多潜在应用（如裂缝修复，碳储存和土壤修复）非常重要。所有数据均以开放源码格式提供，以鼓励对这一主题进行进一步研究。
与此同时，LMS工程师已经开始了下一步的研究。“该芯片使我们能够轻松测试由回收材料（如玻璃，塑料或碎混凝土）而不是沙子制成的生物水泥，”Terzis说。这些生物水泥可以帮助减轻建筑业的碳足迹，甚至彻底改变该行业。
“该行业仍然严重依赖混凝土，尽管用于制造它的成分 - 尤其是沙子 - 越来越难以采购。我们的研究表明，跨学科的方法可以大大改变这种状况。但我们需要对其他研究领域的方法持开放态度。
在洛桑联邦理工学院发明新型生物水泥
在LMS的博士论文中，Dimitrios Terzis开发了一种由细菌和尿素制成的新型生物水泥。该过程涉及使用碳酸钙（CaCO3）晶体将土壤颗粒结合在一起，而不是水泥熟料。结果是一种生物基材料，易于使用，耐久且与现有粘合剂（包括水泥，石灰和工业树脂）相比，成本相当低。特别是树脂在长期内会变得相对不稳定，会用微塑料或有毒化合物污染土壤，并且可以将地下水碱度增加到超过可接受的限度。
洛桑联邦理工学院开发的生物水泥可以在环境温度下廉价地在现场生产，只需要少量的电力。操作员可以根据自己的特定需求调整生物胶结水平。如果只有少量的CaCO3添加后，操作员可以获得类似砂岩的结果，该结果具有足够的抵抗力，可以承受可能导致土壤液化的地震引起的剪切应力。
其他应用程序可以帮助解决边坡稳定问题或恢复现有基础。如果更多的CaCO3添加生物矿物质，结果是可用作建筑材料或防水土壤的混合物。
为了将他们的技术推向市场，Terzis和Lyesse Laloui教授于2018年创立了EPFL初创公司MeduSoil。该公司已经在瑞士和国外进行了现场演示。
更多信息：Ariadni Elmaloglou等人，一米长的反应路径中的微流体研究揭示了介质的结构异质性如何塑造MICP诱导的生物胶结，科学报告（2022）。DOI： 10.1038/s41598-022-24124-6
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