科学家研制出可捕捉空气中二氧化碳的活体建筑材料

一个由提比特领导的多学科研究团队现已将这一愿景变为现实：他们将光合细菌——称为蓝细菌——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》期刊上发表的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

该材料可通过3D打印塑形，除CO₂外仅需阳光、人工海水和易获取的营养物质即可生长。“作为一种建筑材料，它未来有望直接在建筑中封存CO₂，”在苏黎世联邦理工学院共同发起活体材料研究的提比特说道。

其特殊之处在于：这种活体材料吸收的CO₂远超过其通过有机生长固定的量。“这是因为该材料不仅能将碳储存在生物质中，还能以矿物形式储存——这是这些蓝细菌的特殊属性，”提比特解释道。

该研究的两位第一作者之一崔逸凡阐述：“蓝细菌是地球上最古老的生命形式之一。它们具有极高的光合作用效率，甚至能利用最微弱的光将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。这些矿物构成了额外的碳汇，并且——与生物质不同——以更稳定的形式储存CO₂。

蓝细菌作为建造大师

“我们在材料中特意利用了这种能力，”提比特研究组的博士生崔逸凡说道。一个实用的附带效果：矿物质沉积在材料内部并增强其机械强度。通过这种方式，蓝细菌使最初的柔软结构逐渐硬化。

实验室测试表明，该材料在400天内持续固定CO₂，其中大部分为矿物形式——约每克材料封存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效果相当（约7毫克CO₂/克）。

水凝胶作为栖息地

容纳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。提比特团队筛选出的聚合物网络能够传输光、CO₂、水和营养物质，并允许细胞均匀分布在材料内部而不逸出。

为确保蓝细菌尽可能长久存活并保持高效，研究人员还通过3D打印工艺优化结构几何形状，以增加表面积、提升透光性并促进营养液流动。

共同第一作者达利亚·德兰塞克指出：“通过这种方式，我们创造出促进光线穿透并通过毛细作用被动分配营养液的结构。”提比特团队的材料研究员欣喜地报告称，得益于这种设计，封装的蓝细菌高效存活了一年多。

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、环境友好的方法，既能固定大气中的CO₂，又可补充现有的化学固碳工艺。“未来我们希望探索如何将该材料用作建筑外墙涂层，在建筑物的整个生命周期内封存CO₂，”提比特展望道。

仍有长路要走——但建筑领域的同行已采纳该理念，并通过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亚·辛凌，来自该校实验室的基础研究登上了威尼斯建筑双年展的大舞台。“将生产工艺从实验室规模扩大到建筑尺度极具挑战，”这位同时参与本研究的建筑师兼生物设计师表示。

凌在本杰明·迪伦伯格教授的数字化建筑技术教席攻读博士。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细菌的活体结构。

在加拿大馆的《浮游生物》装置中，项目团队使用打印结构作为活体构件，建造了两个树状物体，最高约三米。凭借蓝细菌，这些装置每年可封存多达18公斤CO₂——约相当于温带地区一棵20年生松树的固碳量。

“这个装置是实验性的——我们改造了加拿大馆以提供充足的光照、湿度和温度供蓝细菌生长，然后观察其行为，”凌解释道。这是一项承诺：团队在现场每日监测和维护装置——直至11月23日。

在第24届米兰三年展上，《达芙妮的皮肤》探索了活体材料在未来建筑围护结构中的潜力。在覆盖木瓦的结构体上，微生物形成深绿色铜锈，随时间推移改变木材：腐朽的征兆转变为主动的设计元素，既能封存CO₂，又彰显了微生物过程的美学。《达芙妮的皮肤》由MAEID工作室与达利亚·德兰塞克合作完成，是展览《我们即细菌：迈向生物建筑笔记》的组成部分，展期持续至11月9日。

光合作用活体材料的诞生得益于ALIVE（先进活体材料工程）框架下的跨学科合作。苏黎世联邦理工学院该倡议旨在促进不同学科研究者的协作，从而开发适用于广泛场景的新型活体材料。