科学家创造出能够从空气中吸收二氧化碳的活体建筑材料

由Tibbitt领导的一个跨学科研究团队如今已将这一愿景变为现实：该团队成功地将被称为蓝藻细菌的光合细菌稳定地整合到一种可打印的凝胶中，并开发出了一种具有活性、能够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》杂志的一项研究中展示了他们的“光合作用活体材料”。

关键特性：双重碳封存

这种材料可以使用3D打印技术塑形，除了CO₂外，仅需阳光和含有现成营养物的人造海水即可生长。“作为一种建筑材料，它未来可以帮助将CO₂直接封存在建筑物中，”Tibbitt说道，他在苏黎世联邦理工学院共同发起了对活体材料的研究。

其特殊之处在于：这种活体材料吸收的CO₂远远多于其通过有机生长所固定的量。“这是因为该材料不仅能以生物质的形式储存碳，还能以矿物的形式储存碳——这是这些蓝藻的一个特殊属性，”Tibbitt揭示道。

该研究的两位主要作者之一Yifan Cui解释说：“蓝藻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，从CO₂和水中产生生物质。”

同时，由于光合作用，这些细菌会改变其细胞外的化学环境，从而促使固态碳酸盐（如石灰）沉淀下来。这些矿物质代表了一个额外的碳汇，并且与生物质相比，能以更稳定的形式储存CO₂。

蓝藻作为建筑大师

“我们在材料中特别利用了这种能力，”Cui说，他是Tibbitt研究小组的博士生。一个实际的附带效果是：矿物质沉积在材料内部，并在机械上增强了材料。通过这种方式，蓝藻逐渐使最初柔软的结构变硬。

实验室测试表明，该材料在400天内持续结合CO₂，其中大部分以矿物形式存在——每克材料约结合26毫克CO₂。这显著高于许多生物方法，并与再生混凝土的化学矿化效果相当（约每克7毫克CO₂）。

水凝胶作为栖息地

承载活细胞的载体材料是一种水凝胶——一种由交联聚合物制成、含水量高的凝胶。Tibbitt的团队选择了这种聚合物网络，使其能够传输光、CO₂、水和营养物，并允许细胞在内部均匀分布，同时不会逸出材料。

为了确保蓝藻尽可能长寿并保持高效，研究人员还利用3D打印工艺优化了结构的几何形状，以增加表面积、增强光线穿透力并促进营养物流动。

共同第一作者Dalia Dranseike表示：“通过这种方式，我们创造出了能够实现光线穿透，并依靠毛细作用力将营养液被动分布到整个结构的构造。”得益于这种设计，被封装起来的蓝藻能够高效存活超过一年，这位Tibbitt团队的材料研究员高兴地报告道。

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、环境友好的方法，能够结合大气中的CO₂，并补充现有的化学碳封存工艺。“未来，我们希望研究如何将这种材料用作建筑外墙的涂层，以在建筑物的整个生命周期内结合CO₂，”Tibbitt展望道。

虽然前路漫漫——但来自建筑领域的同行们已经采纳了这一概念，并以实验性的方式实现了初步的诠释。

威尼斯和米兰的两个装置作品

得益于苏黎世联邦理工学院博士生Andrea Shin Ling的努力，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。“将生产过程从实验室规模放大到房间尺度尤其具有挑战性，”这位建筑师兼生物设计师说道，她也参与了这项研究。

Ling在ETH教授Benjamin Dillenburger的数字建筑技术教席攻读博士学位。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的活体结构。

在加拿大馆的Picoplanktonics装置项目中，项目团队将打印出的结构用作活体建筑构件，建造了两个类似树干的对象，最大的一个高约三米。得益于蓝藻，这些构件每年每个最多可结合18公斤CO₂——约等于温带地区一棵20年树龄松树的固碳量。

“这个装置是一个实验——我们调整了加拿大馆的环境，使其为蓝藻提供足够的光照、湿度和温暖以使其茁壮成长，然后我们观察它们的行为，”Ling说。这是一种投入：团队每天在现场监测和维护这个装置，直至11月23日。

在第24届米兰三年展上，Dafne's Skin正在探索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绿，随着时间的推移改变着木材：衰败的迹象变成了一个结合CO₂并强调微生物过程美学的主动设计元素。Dafne's Skin是MAEID Studio与Dalia Dranseike的合作项目。它是“我们细菌：迈向生物建筑笔记”展览的一部分，将持续到11月9日。

这种光合作用活体材料的诞生得益于ALIVE（活体材料先进工程）框架内的跨学科合作。苏黎世联邦理工学院的这项倡议旨在促进不同学科研究人员之间的合作，以开发适用于广泛应用的的新型活体材料。