重新构想碳捕获：新材料像树木一样从空气中去除二氧化碳

科学家们正在设计一种新型活性材料，可以直接从空气中捕获二氧化碳。它利用光合细菌以有机和矿物形式捕获二氧化碳。这个概念听起来或许颇具未来感：在苏黎世联邦理工学院，来自多个学科的研究人员正在合作，将传统材料与细菌、藻类和真菌等微生物结合起来。

打印后的珊瑚，20天后。图片来源：Yifan Cui & Dalia Dranseike / 苏黎世联邦理工学院

他们的共同目标是创造出能够通过微生物代谢获得有用特性的活性材料——“比如通过光合作用吸收空气中的二氧化碳的能力， ”苏黎世联邦理工学院大分子工程教授马克·蒂比特（Mark Tibbitt）解释道。

如今，由蒂比特领导的跨学科团队将这一想法变成了现实。他们成功地将光合细菌（蓝藻）嵌入可打印凝胶中，创造出一种具有生命力、能够生长并主动从大气中捕获碳的材料。该团队在最近发表于《自然通讯》杂志的一项研究中介绍了他们的“光合生物材料” 。

孵化室允许蓝藻在新打印的结构中繁殖。图片来源：Clayton Lee

这种材料可以通过3D打印成型，只需阳光、二氧化碳和含有常见营养成分的人工海水即可生长。“作为一种建筑材料，它未来可以帮助将二氧化碳直接储存在建筑物中，”苏黎世联邦理工学院生物材料研究的共同发起人蒂比特说道。

它的特殊之处在于：这种生物材料吸收的二氧化碳比其通过有机生长吸收的多得多。 “这是因为这种材料不仅可以以生物质的形式储存碳，还可以以矿物质的形式储存碳——这是蓝藻的一种特殊特性，”蒂比特解释道。

连续培养超过400天：刚打印出来的结构仍然柔软。30天后，它可以独立生长，并明显变绿。它持续储存二氧化碳，并从内部硬化。（比例尺：1厘米）。图片来源：崔一帆 / 苏黎世联邦理工学院

该研究的两位主要作者之一崔一帆解释说：“蓝藻是世界上最古老的生命形式之一。它们的光合作用非常高效，甚至可以利用最微弱的光线，将二氧化碳和水转化为生物质。 ”

与此同时，细菌通过光合作用改变周围的化学环境，形成石灰等固体碳酸盐。这些矿物质充当额外的碳汇，并且与生物质不同，它们能够以更稳定、更持久的形式储存二氧化碳。

印花杯。图片来源：Yifan Cui & Dalia Dranseike / 苏黎世联邦理工学院

“我们专门将这种能力运用到我们的材料中，”Tibbitt 研究小组的博士生崔说道。这带来了一个实际的副作用：矿物质沉积在材料内部，并对其进行机械强化。通过这种方式，蓝藻慢慢地使原本柔软的结构变硬。

实验室测试表明，该材料在400天内持续吸收二氧化碳，其中大部分以矿物形式存在——每克材料约吸收26毫克二氧化碳。这远远超过了许多生物方法，与再生混凝土的化学矿化（每克约吸收7毫克二氧化碳）相当。

生长灯产生的水分、热量和光线使蓝藻得以茁壮成长。图片来源：Girts Apskalns

承载活细胞的材料是一种水凝胶——一种由交联聚合物制成的富水凝胶。Tibbitt 的团队设计了这种聚合物网络，使其能够允许光、二氧化碳、水和营养物质通过，同时使细胞能够均匀分布在整个材料中。

为了帮助蓝藻存活更长时间并保持高效，研究人员利用3D打印技术优化了打印结构的几何形状。这些调整增加了表面积，改善了光照，并增强了营养物质的流动。

Picoplanktonics 展示了由光合作用结构构成的大型物体。图片来源：Valentina Mori/威尼斯双年展

共同第一作者 Dalia Dranseike 表示：“通过这种方式，我们创造出能够让光线穿透并通过毛细管力将营养液被动地分配到整个身体的结构。”Tibbitt 团队的材料研究员高兴地报告说，由于这种设计，被封装的蓝藻能够高效地存活一年多。

研究人员认为，他们的活性材料是一种低能耗、环保的方法，可以吸收大气中的二氧化碳，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外墙的涂层，在建筑的整个生命周期内吸收二氧化碳， ”蒂比特展望道。

活晶格结构中的矿化二氧化碳。图片来源：Yifan Cui & Dalia Dranseike / 苏黎世联邦理工学院

虽然还有很长的路要走，但建筑领域的同事已经采用了这个概念，并以实验的方式实现了初步的诠释。

得益于苏黎世联邦理工学院博士生安德里亚·辛·林（Andrea Shin Ling），苏黎世联邦理工学院实验室的基础研究成果得以在威尼斯建筑双年展上亮相。“将生产过程从实验室规模扩展到房间规模尤其具有挑战性，”这位参与这项研究的建筑师兼生物设计师说道。

3D打印的“菠萝”，经过60天的发育期，内部生长着蓝藻。其绿色来自光合细菌的叶绿素。图片来源：崔一帆/苏黎世联邦理工学院

Ling 目前正在苏黎世联邦理工学院本杰明·迪伦伯格教授的数字建筑技术系攻读博士学位。在她的论文中，她开发了一个生物制造平台，可以打印出建筑规模的、含有功能性蓝藻的活体结构。

在加拿大馆的“Picoplanktonics”装置中，项目团队利用打印的结构作为活体积木，构建了两个树干状的物体，最大的一个约三米高。得益于蓝藻的作用，每个物体每年可吸收高达18公斤的二氧化碳，相当于温带地区一棵20年树龄的松树的吸收量。

3D打印的晶格结构。图片来源：Yifan Cui & Dalia Dranseike / 苏黎世联邦理工学院

“这个装置是一个实验——我们对加拿大馆进行了改造，使其能够提供足够的光照、湿度和温度，让蓝藻得以生长，然后我们观察它们的行为。” 凌说道。这是一个承诺：团队每天都会在现场监测和维护这个装置。持续到11月23日。

在第24届米兰三年展上，Dafne's Skin 正在探索生物材料在未来建筑围护结构中的潜力。在一个覆盖着木瓦的结构上，微生物会形成深绿色的锈迹，随着时间的推移，它会改变木材的性质：腐烂的痕迹会转化为一种活跃的设计元素，它能够吸收二氧化碳，增强微生物作用的美感。Dafne's Skin 是 MAEID 工作室和 Dalia Dranseike 的合作作品。它是“我们细菌：生物建筑笔记”展览的一部分，展览将持续到11月9日。

编译自/scitechdaily