科学家创造出能从空气中捕获二氧化碳的活性建筑材料

一个由蒂比特领导的多学科研究团队现已将这一愿景变为现实：他们稳定地将光合细菌（蓝藻细菌）整合到可打印凝胶中，开发出一种具有生命、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》期刊的一项研究中展示了他们的"光合活性材料"。

关键特性：双碳封存

该材料可通过3D打印成型，生长仅需阳光、人工海水及易获取的营养物质，外加CO₂。蒂比特解释说："作为一种建筑材料，未来它可能有助于直接在建筑物中封存CO₂。"他在苏黎世联邦理工学院共同发起了活性材料研究。

其特殊之处在于：该活性材料吸收的CO₂远超其通过有机生长所固定的量。"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——这是蓝藻细菌的特殊属性，"蒂比特揭示道。

该研究的两位共同第一作者之一崔逸凡解释道："蓝藻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。这些矿物形成了额外的碳汇，并以比生物质更稳定的形式封存CO₂。

蓝藻作为建造大师

"我们在材料中专门利用了这种能力，"蒂比特研究组的博士生崔逸凡表示。一个实用的副作用：矿物沉积在材料内部，从而增强其机械强度。蓝藻通过这种方式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，其中大部分为矿物形式——约每克材料固定26毫克CO₂。这显著优于许多生物方法，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

承载活细胞的载体是水凝胶——一种由交联聚合物制成且含水量高的凝胶。蒂比特团队选择的聚合物网络可传输光线、CO₂、水和营养物质，并使细胞在材料内均匀分散而不外溢。

为确保蓝藻存活时间最大化并保持效率，研究人员通过3D打印工艺优化结构几何形状，以增加表面积、提升透光率并促进营养液流动。

共同第一作者达莉亚·德兰塞克指出："通过这种方式，我们创建的结构可实现光线穿透，并依靠毛细管力被动分布营养液至整个体系。"蒂比特团队的材料研究员欣慰地报告，得益于该设计，封装的蓝藻高效存活超过一年。

基础设施作为碳汇

研究人员认为该活性材料是一种低能耗、环境友好的解决方案，可固定大气中的CO₂并补充现有的化学固碳工艺。"未来我们希望探索如何将其用作建筑外墙涂层，在建筑物整个生命周期内固定CO₂，"蒂比特展望道。

目前仍有长路要走，但建筑领域的同事已采纳该概念，并以实验方式实现了初步构想。

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萧安德莉亚，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。"最具挑战性的是将生产工艺从实验室规模扩大到建筑尺寸，"这位同时参与本研究的建筑师兼生物设计师表示。

萧在本杰明·迪伦伯格的数字建造技术教授团队攻读博士学位。她在论文中开发了生物制造平台，可在建筑尺度上打印含有功能性蓝藻的活性结构。

在加拿大馆的"浮游生物"装置中，项目团队将打印结构作为活性构件，建造了两个树状物体（最高约3米）。凭借蓝藻特性，每个构件每年可封存高达18公斤CO₂——相当于温带地区一棵20年树龄的松树。

"该装置是实验性质的——我们改造加拿大馆以提供充足光照、湿度和温度促进蓝藻生长，并观察其行为，"萧解释道。这是一项持续性工作：团队每日在现场监测维护装置直至11月23日。

在第24届米兰三年展上，"达芙涅之肤"探索了活性材料在未来建筑表皮中的应用。在覆盖木瓦的结构表面，微生物形成深绿色铜锈，随时间改变木材特性：腐朽迹象转化为固定CO₂的活性设计元素，突显微生物过程的美学价值。"达芙涅之肤"由MAEID工作室与达莉亚·德兰塞克合作完成，作为"我们即细菌：迈向生物建筑笔记"展览部分展出至11月9日。

光合活性材料诞生于ALIVE（活性材料先进工程）框架下的跨学科合作。该苏黎世联邦理工学院倡议旨在促进多领域研究者协作，开发适用于广泛场景的新型活性材料。