科学家研发出可从空气中捕获二氧化碳的活体建筑材料

由提比特领导的一个跨学科研究团队现已将这一构想变为现实：他们稳定地将光合细菌——即蓝藻细菌——整合到可打印凝胶中，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》杂志上发表的研究中展示了这种"光合活性材料"。

核心特性：双重固碳

该材料可通过3D打印塑形，生长仅需光照、人工海水及现成营养素，外加CO₂。"作为建筑材料，未来它有望帮助在建筑物内直接封存CO₂，"提比特表示，他是在苏黎世联邦理工学院共同发起活性材料研究的学者。

其独特之处在于：这种活性材料吸收的CO₂远超过其通过有机生长固着的量。"这是因为材料不仅能以生物质形式储碳，还能以矿物形式储存——这是蓝藻细菌的特殊属性，"提比特解释道。

研究共同第一作者崔逸凡阐释："蓝藻是地球上最古老的生命形式之一。它们具有高效光合作用能力，甚至可利用最微弱的光线将CO₂和水转化为生物质。"

同时，细菌的光合作用会改变细胞外化学环境，导致固态碳酸盐（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。

蓝藻：材料建造师

"我们在材料中专门利用了这种能力，"提比特研究组的博士生崔逸凡表示。一个实用的副作用是：矿物沉积在材料内部，机械强化了结构。通过这种方式，蓝藻使最初柔软的结构逐渐硬化。

实验室测试表明，材料在400天内持续固定CO2，其中大部分以矿物形式存在——每克材料约固定26毫克CO₂。这远超许多生物固碳方法，并与再生混凝土的化学矿化固碳量（约7毫克/克）相当。

水凝胶：生命栖息地

承载活细胞的载体是水凝胶——一种由交联聚合物制成的高含水量凝胶。提比特团队精选的聚合物网络能传输光线、CO₂、水分和营养物，并使细胞均匀散布其中且不会脱离材料。

为确保蓝藻最大限度存活并保持高效，研究人员通过3D打印工艺优化结构几何形态：扩大比表面积、增强透光性、促进营养液流动。

共同第一作者达莉亚·德兰赛克指出："我们由此创造出能透光并通过毛细作用力将营养液被动输送至整体结构的构件。"提比特团队的材料研究员欣喜地报告：得益于这种设计，封装的蓝藻已高效存活逾一年。

基础设施即碳汇

研究人员视这种活性材料为低能耗环保方案，既能捕集大气CO₂，又可补充现有化学固碳工艺。"未来我们将探索如何将其用作建筑外立面涂层，在建筑全生命周期内固碳，"提比特展望道。

虽前路漫长——但建筑领域同行已采纳该理念，并以实验方式完成了初步实践。

威尼斯与米兰的双重实践

在ETH博士生凌安德莉亚推动下，这项基础研究从实验室登上威尼斯建筑双年展的大舞台。"最具挑战的是将生产工艺从实验室规格扩展到建筑尺度，"这位参与本研究的建筑师兼生物设计师表示。

凌在ETH本杰明·迪伦伯格教授的数字化建造技术教席攻读博士。其论文开发生物制造平台，可在建筑尺度上打印含功能性蓝藻的活性结构。

在加拿大馆《浮游微观世界》装置中，团队将打印结构作为活性构件，建造了两件树干状物体（最高约3米）。依托蓝藻特性，每件年固碳量达18公斤——相当于温带地区20年树龄松树的固碳能力。

"该装置是项实验——我们改造加拿大馆使其提供充足光照、湿度与温度供蓝藻繁育，进而观察其行为，"凌介绍道。这需要持续投入：团队每日在现场监测维护装置——直至11月23日。

在米兰设计三年展，《达芙妮的表皮》探索活性材料在未来建筑围护结构中的潜力。木瓦覆盖的结构上，微生物形成深绿色铜锈层，随时间推移改变木材特性：腐朽的象征转化为主动固碳的设计元素，突显微生物进程的美学价值。该项目由MAEID工作室与达莉亚·德兰赛克合作完成，参展"我们即细菌：迈向生物建筑宣言"主题展，展期持续至11月9日。

光合活性材料的诞生得益于ALIVE（活性材料高级工程）框架下的跨学科合作。该苏黎世联邦理工学院计划旨在促进多学科研究者协作，开发面向广泛应用的新型活性材料。