全球气候变化的挑战正推动各行各业寻求更加环保和可持续的发展路径，建筑行业作为碳排放的主要贡献者之一，承担着减排的重任。传统建筑材料在生产和使用过程中往往伴随着大量的碳排放，而近年来，研究人员提出了一种全新的理念：活性建筑材料。这种材料不仅是被动使用的结构组件，更是能够自主吸收空气中二氧化碳的“活体”，为碳中和目标提供技术支撑。 瑞士联邦理工学院苏黎世分校（ETH Zurich）的跨学科团队开发了一种由水凝胶和光合蓝细菌——也称为蓝藻——复合而成的新型“活性建筑材料”。这种材料通过将蓝细菌稳定地封入三维打印的凝胶中，利用细菌的光合作用功能主动吸收空气中的二氧化碳，并转换为生物质以及矿物质碳酸盐。这种双重碳固定机制使得材料不仅自身成长和硬化，还能有效地将碳长期锁定在建筑结构内。
蓝细菌是一类极为古老的微生物，具备高效的光合作用能力，能够在极弱光照条件下吸收二氧化碳并进行生物合成。通过光合作用，蓝细菌将二氧化碳转化为有机物质，同时改变其细胞外环境，诱导碳酸钙等矿物的沉淀形成。这不仅使材料增强了机械强度，也实现了碳的稳定矿化，极大提升了碳储存的持久性和效率。 水凝胶作为基体材料，提供了高水分含量和良好的透光性，为蓝细菌的生存和光合作用创造了理想环境。凝胶内部微结构经过优化设计，确保光线能够均匀穿透，同时促进二氧化碳、养分和水分的流动，有利于蓝细菌均匀分布和持久活跃。科研团队利用先进的三维打印技术，制造出高表面积和复杂形状的结构，进一步增强光线利用率和物质交换效率。
实验数据显示，经过持续培养的材料在400天内能够固定约26毫克每克材料的二氧化碳，主要形式为碳酸盐矿物的方式，数据显著优于很多传统的生物固定方案，甚至可与再循环混凝土等化学矿化方法相媲美。这证明了活性建筑材料作为碳汇的可行性和潜力，为未来建筑节能减排提供了创新思路。 此外，活性建筑材料的生长过程使其结构从最初的柔软凝胶逐渐变得坚硬结实，显示出材料本身的自我修复和增强特性。这种“生长硬化”机制可能为建筑物的长期稳定性带来积极影响，减少维护需求，提升耐久性。 结合建筑设计理念，研究团队与建筑师合作，将该材料应用于建筑外立面和构件，进行了多项艺术与技术展示。例如，在2025年威尼斯双年展的加拿大馆中，使用活性材料构建了树干形态的巨大装置，展现其在实际环境中的碳固定能力和视觉美学效果。
该装置每年能够吸收约18公斤二氧化碳，相当于一棵20岁松树在温带地区的净碳吸收量。这一艺术与科技的结合不仅吸引了全球关注，也昭示着未来绿色建筑的可能方向。 意大利米兰三年展上的另一项目“Dafne’s Skin”，则探索了微生物对传统木质建筑包覆的影响，利用微生物自然生长形成绿色天然的外皮，不仅实现碳吸收，更将生物过程转化为建筑的审美元素。这种生物涂层激活了建筑表面，与环境互动，呼应了生态设计的理念。 活性建筑材料的发展面临诸多挑战，需要继续优化材料的耐久性、环境适应性以及生产规模。光照、湿度和温度等环境因素对材料性能影响巨大，长时间维持微生物活性仍需解决技术难题。
此外，如何使这类材料实现大规模、经济且安全的建筑应用，是今后研究和产业化的重点方向。 作为ETH Zurich“ALIVE”先进活性材料工程计划的一部分，研究团队呼吁跨学科协作，集合材料科学、生物技术、建筑设计和数字制造领域的力量，共同推进生物基环保材料的创新应用。活性建筑材料不仅象征着建筑技术的未来发展趋势，更体现了人类与自然和谐共生的理想愿景。 总结来看，活性建筑材料利用蓝细菌的光合作用，在建筑物本身实现碳的主动吸收和储存，缓解了传统建筑高碳排放带来的环境压力。结合3D打印等先进制造技术，这类材料具备可塑性强、碳固定效率高和自我增强的特点，未来极有可能成为绿色建筑和碳中和战略的重要组成部分。随着研究持续深入和技术逐步成熟，我们有望看到更多活性材料走入实际建筑项目，在应对气候危机的道路上贡献力量，开启人类建筑与自然共生的全新篇章。
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