科学家制造出可从空气中捕获二氧化碳的有生命建筑材料

由蒂比特领导的一个跨学科研究团队现已将这一愿景变为现实：他们已将光合细菌——称为蓝藻细菌——稳定地纳入可打印凝胶中，并开发出一种具有生命力、可生长并能主动从空气中清除碳的材料。研究人员最近在《自然通讯》杂志上发表的一项研究中展示了他们的“光合活体材料”。

关键特性：双碳封存

该材料可使用3D打印塑形，并且除了CO₂之外，仅需要阳光、人工海水和现成的营养物质即可生长。“作为一种建筑材料，将来它可能有助于将CO₂直接封存在建筑物中，”在苏黎世联邦理工学院共同发起活体材料研究的蒂比特说道。

其特殊之处在于：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。“这是因为这种材料不仅能以生物质形式储存碳，还能以矿物形式储存——这是这类蓝藻细菌的特殊属性，”蒂比特揭示道。

该研究的两位第一作者之一崔逸帆解释说：“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。”

与此同时，由于光合作用，这些细菌会改变其细胞外的化学环境，导致固体碳酸盐（如石灰）沉淀。这些矿物质代表了一个额外的碳汇，并且——与生物质不同——能以更稳定的形式储存CO₂。

蓝藻细菌作为建筑大师

“我们在材料中有意利用了这种能力，”蒂比特研究组的博士生崔逸帆说。一个实用的附带效果是：矿物质沉积在材料内部并在机械性能上增强材料。这样，蓝藻细菌逐渐使最初柔软的结构硬化。

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——每克材料约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相当（约每克7毫克CO₂）。

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、含水量高的凝胶。蒂比特团队选择了这种聚合物网络，使其能够传输光线、CO₂、水和营养物质，并允许细胞在材料内部均匀分布而不离开材料。

为确保蓝藻细菌存活尽可能长的时间并保持高效，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、增强光线穿透并促进营养液流动。

共同第一作者达莉亚·德兰塞克：“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。”蒂比特团队的这位材料研究人员高兴地报告说，得益于这种设计，包封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，并补充现有的碳封存化学过程。“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，”蒂比特展望道。

仍有很长的路要走——但建筑领域的同事已经采纳了这个概念，并以实验方式实现了初步的诠释。

威尼斯和米兰的两项装置作品

得益于苏黎世联邦理工学院的博士生安德烈娅·辛玲，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。“将生产过程从实验室规模扩大到房间尺寸特别具有挑战性，”这位同样参与本研究的建筑师兼生物设计师说道。

玲在本杰明·迪伦伯格教授的数字化建筑技术教席攻读博士学位。在她的论文中，她开发了一个用于生物制造的平台，能够在建筑尺度上打印含有功能性蓝藻细菌的活体结构。

对于加拿大馆的“Picoplanktonics”装置，项目团队使用打印出的结构作为活体建筑模块，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，这些装置每年各自可结合高达18公斤的CO₂——大约相当于温带地区一棵20年树龄的松树。

“这个装置是一个实验——我们调整了加拿大馆的环境，为其提供足够的光线、湿度和温度让蓝藻细菌繁衍生息，然后观察它们的行为，”玲说。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，Dafne's Skin项目正在探索活体材料对未来建筑围护结构的潜力。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，随时间推移改变着木材：腐朽的迹象成为一种活跃的设计元素，它结合CO₂并强调了微生物过程的美学。Dafne's Skin是MAEID工作室与达莉亚·德兰塞克的合作项目。它是“我们，细菌：迈向生物建筑笔记”展览的一部分，展期至11月9日。

这种光合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项倡议促进来自不同学科的研究人员之间的协作，以开发适用于广泛领域的新型活体材料。