转自：科普中国

科学家正在将传统材料与细菌、藻类和真菌结合起来，创造出能利用微生物代谢获得实用特性的生物材料。“比如通过光合作用从空气中吸收二氧化碳的能力。”瑞士苏黎世联邦理工学院大分子工程学教授Mark Tibbitt说。

目前，由Tibbitt领导的跨学科团队已将这一愿景变为现实。他们将蓝藻这种光合细菌稳定地融合到可打印凝胶中，开发出一种活的、生长的、能主动从空气中去除碳的材料。相关研究成果近日发表于《自然-通讯》。

这种材料可通过3D打印成型，仅需阳光、人工海水及易获取的营养物质就能生长。“作为一种建筑材料，未来它或许能直接将二氧化碳封存在建筑中。”Tibbitt说。

该材料的独特之处在于，其吸收的二氧化碳远超通过有机生长固定的二氧化碳。“因为这种材料不仅能以生物质形式储碳，还能以矿物质的形式储碳——这正是蓝藻的特殊属性。”Tibbitt说。

Tibbitt研究组的博士生崔一凡（音）解释说：“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效率，即使在非常微弱的光线下也能将二氧化碳和水转化为生物质。”同时，这些细菌通过光合作用改变了细胞外的化学环境，促使碳酸盐（如石灰石）沉淀。这些矿物质成为另一种碳汇，且相比生物质，能以更稳定的形式封存二氧化碳。

“我们在材料中特意强化了这一特性。”崔一凡说，矿物质在材料内部沉积会增强其机械强度，使最初柔软的结构逐渐硬化。

实验室测试显示，该材料可在400天内持续固碳，每克材料固定约26毫克二氧化碳，其中大部分以矿物形式封存，远超许多生物方法的固碳效率。

承载活体细胞的基质是一种由交联聚合物构成的含水量高的凝胶。Tibbitt团队设计的聚合物网络既能传输光、二氧化碳、水和养分，又能让细胞在材料中均匀分布。

为确保蓝藻长期存活并保持高效，研究人员还通过3D打印优化结构的几何形状，以增加表面积、提升透光性并促进营养流动。“我们设计的结构既能透光，又能通过毛细作用被动分配营养液。”论文共同第一作者Dalia Dranseike指出，封装其中的蓝藻可保持高效活性超过一年。

研究人员认为，这种低能耗、环境友好的活性材料能补充现有化学固碳工艺。“未来，我们希望探索如何将其用作建筑外墙涂层，在建筑物全生命周期内持续固碳。”Tibbitt说。

虽然前路漫漫，但建筑领域的同行已开始实验性应用。在苏黎世联邦理工学院博士生Andrea Shin Ling的推动下，这项基础研究已登上第19届威尼斯国际建筑双年展的舞台。“最具挑战的是将实验室规模的生产流程扩大到建筑尺寸。”这位同时参与了该研究的建筑师兼生物设计师表示。

Ling在苏黎世联邦理工学院数字建筑技术教授Benjamin Dillenburger的指导下开发了生物制造平台，能在建筑尺度上打印含有功能性蓝藻的活性结构。在威尼斯国际建筑双年展加拿大馆展出的一个名为“浮游生物”的装置中，研究团队用打印的活性构件制作了两件树状作品，最高约3米。借助蓝藻，每件作品年均可固碳18公斤，相当于温带地区一棵20年松树的固碳量。

“这个装置是场实验——我们改造加拿大馆使其提供充足的光照、湿度和温度，然后观察蓝藻的生长状态。”Ling介绍说。