科学家研发出可捕获空气中二氧化碳的活性建筑材料

由蒂比特（Tibbitt）领导的一个跨学科研究团队现已将这一愿景变为现实：他们成功地将光合细菌——称为蓝藻细菌——稳定地整合到可打印凝胶中，并开发出一种具有生命、可生长并能主动从空气中去除碳的材料。研究人员最近在《自然通讯》杂志上发表的一项研究中介绍了他们的“光合作用活体材料”。

关键特性：双碳固存

这种材料可以通过3D打印塑形，除了CO₂外，仅需要阳光、人工海水和易获取的营养物质即可生长。蒂比特表示：“作为一种建筑材料，未来它可能有助于直接将CO₂封存在建筑物中。”他是在苏黎世联邦理工学院共同发起活体材料研究的成员之一。

其独特之处在于：该活体材料吸收的CO₂远超过其通过有机生长所固定的量。蒂比特解释道：“这是因为该材料不仅能以生物质形式储存碳，还能以矿物质形式储存——这是这些蓝藻细菌的特殊属性。”

该研究的两位第一作者之一崔一帆（Yifan Cui）解释说：“蓝藻细菌是世界上最古老的生命形式之一。它们的光合作用效率极高，甚至能利用最微弱的光线，将CO₂和水转化为生物质。”

同时，细菌因光合作用改变了细胞外部的化学环境，导致固态碳酸盐（如石灰）沉淀析出。这些矿物质代表了一个额外的碳汇，并且——与生物质不同——以更稳定的形式储存CO₂。

蓝藻细菌作为建造大师

“我们在材料中特意利用了这种能力，”崔一帆说，他是蒂比特研究小组的博士生。一个实用的副作用是：矿物质沉积在材料内部，从而增强了其机械强度。这样，蓝藻细菌逐渐硬化了最初柔软的结构。

实验室测试表明，该材料在400天的时间内持续结合CO2，其中大部分以矿物形式存在——约每克材料结合26毫克CO₂。这显著超过了许多生物方法，并与再生混凝土的化学矿化作用（约每克7毫克CO₂）相当。

水凝胶作为栖息地

容纳活细胞的载体材料是一种水凝胶——一种由交联聚合物制成、具有高含水量的凝胶。蒂比特的团队选择的聚合物网络能够传输光、CO₂、水和营养物质，并允许细胞在材料内部均匀分布且不会离开材料。

为确保蓝藻细菌尽可能长寿并保持高效，研究人员还通过3D打印工艺优化了结构的几何形状，以增加表面积、提高透光性并促进营养物质的流动。

共同第一作者达利亚·德兰塞克（Dalia Dranseike）：“通过这种方式，我们创建的结构能够实现光线穿透，并通过毛细管力被动地将营养液分布到整个主体中。”蒂比特团队中的这位材料科学家高兴地报告说，得益于这种设计，被包裹的蓝藻细菌富有成效地存活了一年多。

基础设施作为碳汇

研究人员认为他们的活体材料是一种低能耗且环境友好的方法，可以结合大气中的CO₂，并补充现有的碳封存化学过程。蒂比特展望道：“未来，我们希望研究如何将这种材料用作建筑立面的涂层，以在整个建筑生命周期内结合CO₂。”

前路仍然漫长——但来自建筑领域的同事已经采纳了这一概念，并以实验性的方式实现了初步诠释。

威尼斯与米兰的两个装置作品

得益于苏黎世联邦理工学院的博士生安德莉亚·辛·凌（Andrea Shin Ling），来自ETH实验室的基础研究登上了威尼斯建筑双年展的大舞台。这位建筑师兼生物设计师（她也参与了这项研究）表示：“特别具有挑战性的是将生产工艺从实验室规模扩大到建筑尺度。”

凌在ETH本杰明·迪伦伯格（Benjamin Dillenburger）教授的数字建筑技术主席职位攻读博士学位。在她的论文中，她开发了一个生物制造平台，能够在建筑尺度上打印含有功能性蓝藻细菌的活体结构。

在加拿大馆的“浮游生物”（Picoplanktonics）装置作品中，项目团队使用打印的活体结构作为建筑模块，构建了两个类似树干的对象，最大的约三米高。得益于蓝藻细菌，这些装置每年能各自结合高达18千克的CO₂——大约相当于温带地区一棵20年树龄松树的固碳量。

凌说：“这个装置是一个实验——我们调整了加拿大馆的环境，使其为蓝藻细菌提供足够的光照、湿度和温暖以茁壮成长，然后观察它们的行为。”这是一项承诺：团队在现场每天监测和维护该装置——直到11月23日。

在第24届米兰三年展上，“达芙妮之肤”（Dafne's Skin）探索了活体材料在未来建筑围护结构中的潜力。在一个覆盖着木瓦的结构上，微生物形成了一层深绿色的铜锈，随时间推移改变木材：腐朽的迹象变成了一个活跃的设计元素，既能结合CO₂，又突显了微生物过程的美学。“达芙妮之肤”是MAEID工作室与达利亚·德兰塞克的合作成果。它是展览“我们，细菌：迈向生物建筑笔记”的一部分，将持续到11月9日。

光合作用活体材料的诞生得益于在ALIVE（先进活体材料工程）框架内的跨学科合作。苏黎世联邦理工学院的这一倡议促进了不同学科研究人员之间的合作，以开发适用于广泛应用的新型活体材料。