科学家研发出可捕获空气中二氧化碳的有生命的建筑材料

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：他们稳定地将光合细菌——即蓝藻细菌——整合到可打印凝胶中，并开发出一种具有生命、能生长并主动从空气中清除碳的材料。研究人员最近在《Nature Communications》期刊上发表的一项研究中展示了他们的“光合活体材料”。

关键特性：双重碳封存

该材料可使用3D打印塑形，生长仅需阳光、人工海水及现成的营养物质，外加CO₂。蒂比特表示：“作为一种建筑材料，它未来可能有助于直接在建筑中封存CO₂。”他是在苏黎世联邦理工学院共同发起活体材料研究的学者。

其独特之处在于：这种活体材料吸收的CO₂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将碳储存在生物质中，还能以矿物质形式储存——这是这些蓝藻细菌的特殊属性，”蒂比特解释道。

该研究的两位第一作者之一崔一帆（Yifan Cui）阐述：“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，细菌通过光合作用改变细胞外的化学环境，导致固体碳酸盐（如石灰）沉淀。这些矿物质构成了额外的碳汇，并且与生物质不同，它们以更稳定的形式储存CO₂。

蓝藻细菌作为建造大师

崔一帆表示：“我们在材料中专门利用了这种能力。”他是蒂比特研究组的博士生。一个实用的副作用是：矿物质沉积在材料内部，从而增强其机械强度。通过这种方式，蓝藻细菌使最初柔软的结构逐渐硬化。

实验室测试表明，该材料在400天内持续固定CO2，其中大部分以矿物质形式存在——约每克材料固定26毫克CO₂。这显著超过许多生物方法，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

承载活细胞的载体材料是水凝胶——一种由交联聚合物制成、含水量高的凝胶。蒂比特团队选择的聚合物网络能够传输光线、CO₂、水和营养物质，并允许细胞在材料内均匀分布而不逸出。

为确保蓝藻细菌尽可能延长寿命并保持高效，研究人员还通过3D打印工艺优化了结构几何形状，以增大表面积、增强透光性并促进营养物流通。

共同第一作者达莉亚·德兰塞克（Dalia Dranseike）表示：“通过这种方式，我们创建的结构能实现光线穿透，并依靠毛细管力被动地将营养液分布至整个物体。”蒂比特团队中的材料研究员欣慰地报告：得益于这种设计，被封装的蓝藻细菌高效存活了一年多。

基础设施作为碳汇

研究人员将其活体材料视为一种低能耗且环保的解决方案，能从大气中固定CO₂，并补充现有的碳封存化学工艺。蒂比特展望道：“未来，我们计划研究如何将该材料用作建筑立面的涂层，在建筑物的整个生命周期内固定CO₂。”

仍有很长的路要走——但建筑领域的同行们已采纳这一概念，并以实验方式实现了初步诠释。

威尼斯与米兰的两项装置

得益于苏黎世联邦理工学院博士生安德烈娅·邢凌（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（她也参与了本研究）表示：“将生产工艺从实验室规模扩大到建筑尺寸尤其具有挑战性。”

邢凌在苏黎世联邦理工学院本杰明·迪伦伯格（Benjamin Dillenburger）教授的数字建筑技术教席攻读博士学位。她在论文中开发了一个生物制造平台，可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《浮游微型生物》装置中，项目团队将打印结构作为活体积木，构建了两个树干状物体，最大者约三米高。借助蓝藻细菌，每个装置每年可固定高达18公斤的CO₂——相当于温带地区一棵20年树龄的松树。

邢凌表示：“该装置是一个实验——我们改造了加拿大馆，使其为蓝藻细菌提供充足的光照、湿度和温度以茁壮成长，然后观察它们的行为。”这是一项持续的承诺：团队在现场每日监测和维护该装置——直至11月23日。

在米兰设计三年展上，《达芙妮的皮肤》项目探索了活体材料在未来建筑围护结构中的应用潜力。在一个覆盖木瓦的结构上，微生物形成了深绿色铜锈，随时间推移改变木材：腐朽的迹象转化为活跃的设计元素，既能固定CO₂，又凸显了微生物过程的美学。《达芙妮的皮肤》是MAEID工作室与达莉亚·德兰塞克的合作项目。它作为“我们即细菌：迈向生物建筑笔记”展览的一部分，展出至11月9日。

这项光合活体材料的诞生得益于《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此倡议旨在促进不同学科研究人员的协作，以开发适用于广泛领域的新型活体材料。