瑞士新型活体建筑材料 可捕捉碳与光合作用

近期，瑞士科学家开发出一款极为特殊的新型“活体建筑材料”。它是一种既可以3D打印，又可以进行光合作用的活体凝胶构成，能够从空气中不断消耗和保存二氧化碳，其效率相当于一棵20年树龄的松树。

这次，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）团队开发出一种具有生命力、能够生长，且能主动从空气中去除二氧化碳的“光合活体凝胶”材料。目前该材料已经应用于建筑领域，并在第24届米兰三年展（Triennale di Milano）、19届威尼斯建筑双年展（Venice Architecture Biennale）亮相，展现其永续性和实用性。

研究团队将蓝藻（PCC 7002）与可3D列印的透明凝胶（Pluronic F-127）结合，并诱导蓝藻进行光合作用，吸收大气中的二氧化碳（CO2）产生碳酸盐沉淀（MICP）反应，让二氧化碳转为固体碳酸盐（如石灰）储存于材料中，以此实现碳封存目标。

这种光合活体凝胶的蓝藻，只需要阳光、富含营养物质的人工海水，以及二氧化碳，即可光合作用生长超过一年，且整个生长过程无需离开材料。

研究人员为了确保蓝藻能够长时间存活与高效运作，他们透过3D列印制程优化结构的几何形状，增其加表面面积、光穿透力，以此促进营养物质的流动。

结果显示，这种光合活体凝胶的每克材料在30天内，可封存2.2到3.1毫克二氧化碳，且存活一年以上（目前纪录是400多天）。该材料在400天内，每克材料累积吸收26至33毫克二氧化碳，且大多以稳定的矿物形式保存。

该种材料吸收的二氧化碳数量，远比其它生物方法吸收的量要高，能与再生混凝土的化学矿化相当，若需要材料内的矿物只需600°C热解便可回收。另外，这些固体矿物质储存二氧化碳的稳定性，要优于生物质（有机生命或刚死掉的生物）。

该团队用“光合活体凝胶”打印成活体积木，再用积木组装成两个树干状物体，于威尼斯建筑双年展加拿大馆中展出。他们表示，一个树干状物体每年可吸收18公斤的二氧化碳，相当于温带地区一棵树龄20年的松树每年吸收的碳量。

研究人员认为，这种光合活体凝胶是一种低能耗、环保的材料，可以透过消耗和保存大气中的二氧化碳，为建筑领域开辟新可能性。虽然还有很长的路要走，但建筑领域的同事已经接受了这个新概念，并有了初步的成果。

他们还表示，未来会对生物质封存的二氧化碳量进行评估，以此了解不同的酸碱环境（pH值）与二氧化碳浓度，是如何影响蓝藻的光合作用速率，以此提高该系统的转换效率。

这项研究的建筑师兼生物设计师、苏黎世联邦理工学院博士生安德里‧亚辛‧林（Andrea Shin Ling）对该校新闻室表示，“我们改造加拿大馆，使其能够提供足够的光照、湿度和温度，促进材料中的蓝藻生长与观察它们的行为。”

共同第一作者、苏黎世联邦理工学院机械与制程工程系大分子工程实验室的达莉亚‧德兰塞克（Dalia Dranseike）补充说：“我们透过结构设计，让光线穿透材料，并透过毛细管力将营养液被动分配到结构内部。”对此，该团队的材料研究员报告，这种设计让被封装在凝胶内的蓝藻，能够高效率地存活一年之久。

苏黎世联邦理工学院大分子工程教授马克‧蒂比特（Mark Tibbitt）表示，“作为一种建筑材料，它里面的蓝藻可以将二氧化碳直接储存在建筑物中，让二氧化碳得以用生物质、矿物质的形式储存。未来，我们希望将其应用于建筑外墙涂层，实现大规模碳捕捉。”

论文另一主要作者崔一帆强调，“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。”

他说，我们将蓝藻这些能力，运用到建筑材料中，让矿物质沉积在材料内部，使原本柔软的材料结构逐渐硬化，增强材料的机械性能。目前，该研究成果已经在《自然》科学杂志上发表。