科学家研制出可捕捉空气中二氧化碳的活性建材

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——即蓝藻细菌——稳定地融入一种可打印的凝胶中，并开发出一种具有生命、能够生长并主动从空气中清除碳的材料。研究人员近期在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上发表的一项研究中介绍了他们的“光合作用活体材料”。

关键特性：双重固碳

该材料可使用3D打印技术塑形，且生长仅需阳光、人工海水以及现成的营养物质，外加CO₂。蒂比特表示：“作为一种建筑材料，未来它可能有助于将CO₂直接储存在建筑物中。”他曾在苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）共同发起了活体材料的研究。

其特殊之处在于：这种活体材料吸收的CO₂远多于其通过有机生长所固定的量。蒂比特解释道：“这是因为该材料不仅能以生物质的形式储存碳，还能以矿物质的形式储存——这是这些蓝藻细菌的一种特殊属性。”

该研究的两位第一作者之一崔一凡（Yifan Cui）说明：“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，蓝藻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）沉淀析出。这些矿物质代表了额外的碳汇，并且——与生物质不同——以更稳定的形式储存CO₂。

蓝藻细菌作为建造大师

蒂比特研究组的博士生崔一凡表示：“我们在材料中特意利用了这种能力。”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。这样，蓝藻细菌便逐渐硬化了最初柔软的结构。

实验室测试表明，该材料在400天的时间内持续固存CO₂，其中大部分以矿物形式存在——每克材料约固存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一种水凝胶——一种由交联聚合物制成、具有高含水量的凝胶。蒂比特团队选择的聚合物网络不仅能传输光线、CO₂、水和营养物质，还能让细胞均匀分布在材料内部而不脱离。

为确保蓝藻细菌尽可能长寿且保持高效，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、提高光线穿透率并促进营养液流动。

共同第一作者达莉亚·德兰塞克（Dalia Dranseike）表示：“通过这种方式，我们创造的结构能够实现光线穿透，并借助毛细作用力被动地将营养液分布到整个物体内部。”蒂比特团队的这位材料研究员欣喜地报告称，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

研究人员认为他们的活体材料是一种低能耗、环境友好的方法，能够从大气中固存CO₂，并补充现有的碳封存化学工艺。蒂比特展望道：“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固存CO₂。”

虽然仍有很长的路要走——但建筑领域的同事已经采纳了这一概念，并以实验方式实现了初步诠释。

威尼斯与米兰的两件装置作品

得益于苏黎世联邦理工学院博士生安德里亚·辛玲（Andrea Shin Ling），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。这位建筑师兼生物设计师（也参与了此项研究）表示：“将生产工艺从实验室规模放大到房间尺寸特别具有挑战性。”

玲正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（Digital Building Technologies）教席攻读博士学位。她在论文中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细菌的活体结构。

在加拿大馆的《浮游生物》（Picoplanktonics）装置中，项目团队使用这些打印结构作为活体建筑模块，构建了两个类似树干的大型物体，最高的约三米。借助蓝藻细菌，每个物体每年可固存高达18千克的CO₂——大约相当于温带地区一棵20年树龄的松树。

玲说：“该装置是一个实验——我们调整了加拿大馆的环境，使其提供足够的光线、湿度和温度让蓝藻细菌茁壮成长，然后观察它们的行为。”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，《达芙妮之肤》（Dafne's Skin）探索了活体材料在未来建筑围护结构中的潜力。在一个覆盖木质瓦片的结构上，微生物形成了一层深绿色的铜锈，随时间推移改变木材：腐朽的迹象变成了活跃的设计元素，既能固存CO₂，又突显了微生物过程的美学。《达芙妮之肤》是MAEID工作室与达莉亚·德兰塞克的合作项目，是“我们即细菌：迈向生物建筑笔记”（We the Bacteria: 注明s Toward Biotic Architecture）展览的一部分，展期持续至11月9日。

这项光合作用活体材料的诞生得益于ALIVE（先进活体材料工程，Advanced Engineering with Living Materials）框架内的跨学科合作。苏黎世联邦理工学院的这一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。