在應(yīng)對氣候變化的過程中，科學(xué)家們一直在探索更高效、更環(huán)保的碳捕集技術(shù)。

最近，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的跨學(xué)科研究團(tuán)隊取得突破性進(jìn)展——他們將傳統(tǒng)材料與微生物（包括細(xì)菌、藻類和真菌）相結(jié)合，開發(fā)出了具有特殊功能的活性材料。

這項由大分子工程教授馬克·蒂比特（Mark Tibbitt）領(lǐng)導(dǎo)的研究，成功將光合細(xì)菌（藍(lán)藻）與3D打印技術(shù)融合，創(chuàng)造出一種能夠自主捕獲二氧化碳的活體材料。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然·通訊》期刊。

這種創(chuàng)新材料不僅能像植物一樣吸收二氧化碳，還能將其轉(zhuǎn)化為堅固的礦物質(zhì)，甚至還擁有自我修復(fù)和強化的特性。

"作為未來建筑材料，它可以直接將二氧化碳儲存在建筑物中。"蒂比特教授說道。

這項研究的核心是一種名為聚球藻的藍(lán)藻。這種藍(lán)藻與地球早期生命形式相似，通過現(xiàn)代技術(shù)，研究人員重新利用了這種古老生物的光合能力，為可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。

藍(lán)藻又名藍(lán)綠藻（blue-green algae），是一種大型單細(xì)胞原核生物，擁有葉綠素但無葉綠體。

這種小生命可以吸收二氧化碳并釋放氧氣，它的繁衍是使整個地球大氣從無氧狀態(tài)發(fā)展到有氧狀態(tài)的關(guān)鍵，為需氧生物（包括人類）的演化創(chuàng)造了必要條件。。

而且，藍(lán)藻的本領(lǐng)還在于，它能通過代謝活動改變周圍環(huán)境的酸堿度，將二氧化碳與海水中的鈣、鎂離子結(jié)合，形成穩(wěn)定的碳酸鹽礦物（如碳酸鈣）。

這兩種機制共同作用，實現(xiàn)了“雙重固碳”——既儲存了二氧化碳，又生成了難以分解的礦物質(zhì)，真正將二氧化碳“鎖”在了材料中。

研究人員表示，這種材料可以通過3D打印成型，只需要陽光、富含營養(yǎng)物質(zhì)的人工海水以及二氧化碳即可生長。

而且，實驗證明，這種生物材料吸收的二氧化碳比藻類通過自然生長吸收的多得多。 

圖說：實驗室中正在成長的藍(lán)藻生物材料

來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

“這是因為這種材料不僅可以以生物質(zhì)的形式儲存碳，還可以以礦物質(zhì)的形式儲存碳——這是藍(lán)藻的一種特殊性質(zhì)?！钡俦忍亟忉尩?。

藍(lán)藻通過光合作用改變了細(xì)胞外的化學(xué)環(huán)境，使CO2與鈣鎂離子結(jié)合生成固體碳酸鹽，形成石膏、方解石和菱鎂礦。與生物質(zhì)形式相比，礦物質(zhì)能夠以更穩(wěn)定的形式儲存CO2。

根據(jù)這種特性，將藍(lán)藻固定在支持基質(zhì)中可以實現(xiàn)以“工程光合生物材料”的形式驅(qū)動生物二氧化碳封存，還能增加材料的結(jié)構(gòu)強度。

該研究的兩位主要作者之一Cui補充道：“藍(lán)藻的光合作用非常高效，甚至可以利用最微弱的光線，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)?！?nbsp;

為了讓這些藍(lán)藻高效工作，研究團(tuán)隊設(shè)計了一種特殊的水凝膠“墨水”，由一種名為Pluronic F-127的生物相容性聚合物制成。

這種材料像果凍一樣柔軟透明，允許光線穿透以支持光合作用，同時為細(xì)菌提供生存空間。同時，該材料的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還使其能夠運輸二氧化碳、水和營養(yǎng)物質(zhì)。

為了確保藍(lán)藻盡可能長時間存活并保持高效捕碳，研究人員還利用3D打印工藝優(yōu)化了材料結(jié)構(gòu)的幾何形狀，以增加表面積、光穿透力并促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的流動。

共同第一作者Dalia Dranseike表示：“通過這種方式，我們創(chuàng)造出能夠讓光線穿透并通過毛細(xì)管力將營養(yǎng)液被動地分配到整個身體的結(jié)構(gòu)?！?nbsp;

圖說：3D打印出的晶格結(jié)構(gòu)，內(nèi)部生長著藍(lán)藻，其綠色來自光合細(xì)菌的葉綠素（藍(lán)藻沒有葉綠體）

來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

這些材料會隨著時間“進(jìn)化”：碳酸鹽礦物的沉積使材料硬度逐漸提升，從最初的柔軟凝膠變?yōu)榭瑟毩⒄玖⒌膱怨探Y(jié)構(gòu)。

實驗室測試表明，該材料在400天內(nèi)持續(xù)吸收二氧化碳，其中大部分以礦物形式存在——每克材料約吸收26毫克二氧化碳。

這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了許多生物質(zhì)碳捕獲方式，與再生混凝土的化學(xué)礦化（每克約吸收7毫克二氧化碳）相當(dāng)。

在實驗室中，打印的活體結(jié)構(gòu)可持續(xù)工作超過一年，顏色始終保持鮮綠（表明藍(lán)藻存活）。

“未來，我們希望研究如何將這種材料用作建筑外墻的涂層，在建筑的整個生命周期內(nèi)吸收二氧化碳?！钡俦忍卣雇馈?/span>

雖然還有很長的路要走，但建筑領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)以實驗的方式實現(xiàn)了初步應(yīng)用。

目前，這項基礎(chǔ)研究成果已經(jīng)在今年5月開幕的威尼斯建筑雙年展上亮相。

“將生產(chǎn)過程從實驗室規(guī)模擴(kuò)展到實際建筑物的大小非常具有挑戰(zhàn)性，”參與這項研究的建筑師兼生物設(shè)計師Andrea Shin Ling說道。

Ling在博士論文中表示，她開發(fā)出了一個生物制造平臺，可以打印出建筑規(guī)模的、含有功能性藍(lán)藻的活體結(jié)構(gòu)。

圖說：孵化室為藍(lán)藻在新打印的結(jié)構(gòu)中繁殖提供了條件

來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

在加拿大館的“Picoplanktonics”裝置中，項目團(tuán)隊利用打印的結(jié)構(gòu)作為活體積木，構(gòu)建了兩個樹干狀的物體，最大的一個約三米高。

得益于藍(lán)藻的作用，每個裝置每年可吸收高達(dá)18公斤的二氧化碳，相當(dāng)于溫帶地區(qū)一棵20年樹齡的松樹的吸收量。

“這個裝置是一個實驗——我們對加拿大館進(jìn)行了改造，使其能夠提供足夠的光照、濕度和溫度，讓藍(lán)藻得以生長，然后我們觀察它們的行為?！?Ling說道。

研究人員開發(fā)的不僅是材料，更是一個微型生態(tài)系統(tǒng)?；蛟S有一天，我們的房子和城市將由這些“會呼吸”的材料建造，默默為地球減負(fù)。