- 科学家利用细菌和沙子制造建筑材料，无需高温。
- 嗜热芽孢杆菌能产生矿物粘合剂，促进沙子结合。
- 生物水泥目前强度接近砂浆，适合非承重结构。
- 化学副产品氨需安全处理，影响可持续性。
为了建设可持续城市，苏黎世联邦理工学院的科学家们正将目光投向地球上一些最微小的生物。建筑师及研究员卡伦·安托维莎·帕兹（Karen Antorveza Paez）将生物学与数字制造结合，利用活细菌、沙子及机器人技术，制造坚固的建筑组件，而无需烧制任何化石燃料。这项发展针对全球最大的环境罪魁之一。水泥生产约占全球碳排放的 8%，主要因为关键成分必须在极高温度的巨大窑炉中烧制。
安托维莎·帕兹无需热处理，便招募了能够产生“矿物胶”的土壤细菌——嗜热芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）。她指出：“我们利用细菌生产一种矿物粘合剂。”一个机器手臂反复将细菌、结晶所需的物质及沙子施加到表面，使其逐层生长。
细菌如何促进建材生产
不需要窑炉的微生物诱导碳酸钙沉淀使得活细菌能够在无需高热处理的情况下，将沙子和松散颗粒结合成坚固的结构组件。虽然这个想法并不新鲜，但专家们早前已考虑过这种方法在火星上建造结构的可能性。细菌通过一种天然酶对尿素的分解产生混合物中的碳酸根离子。当这些离子与氯化钙互动时，会形成微观的石灰岩晶体，这些晶体在室温下机械性地交织沙粒，从而使材料固化。安托维莎·帕兹解释道：“这有点像烤蛋糕，你拥有的面团仍然非常可塑且脆弱，只有烤箱可以将其变成坚固的物质。
”在她的工作中，细菌就扮演了烤箱的角色。
生物水泥的挑战与应用
团队开发了两种数字制造方法来创造生物水泥建筑元素。研究人员使用自定义的生物墨水，这种墨水由水、天然树胶、沙子和活细菌组成，开发出一种 3D 生物打印工艺。打印成型后，结构会经历一个为期两到五天的矿化浴，每日更新以提供必要的营养。像烤箱一样，细菌在室温下固化材料，经过干燥后留下完全固化的无活性矿物组件。
然而强度挑战仍然存在。第二种方法是使用机器手臂将沙子、细菌和矿化剂交替喷洒到表面，灵感来自于自然微生物岩石结构，如层状石（stromatolites）。她表示：“作为建筑师，通常不会准确知道材料中包含什么——它是在其他地方制造的。”她对自然找到生产高度复杂材料的方法感到着迷，并希望利用这一点来解决当前的问题。这是一个前景光明的方法，但生物水泥尚未准备好取代结构混凝土。
目前，其强度更接近于砂浆，更适合用于非承重元素，如隔墙或外立面面板。此外，化学反应释放出的氨是一种污染副产品，必须安全处理或回收。安托维莎·帕兹补充道：“除非我们考虑到这种化学副产品的处理，否则使用生物水泥建造不幸地并不具可持续性。”
在 2025 年威尼斯建筑双年展上，进行了一项为期六个月的安装，展示了一个生物水泥结构在参观者面前实时生长，显示了自动化建设的潜力。科学家们已经证明细菌可以生长建筑材料。现在，竞赛在于使这些材料足够强大，以支撑我们的城市。
生物水泥技术的发展与挑战
这项研究展示了利用细菌和沙子制造建筑材料的潜力，尤其是在减少碳排放方面的贡献。虽然生物水泥在强度上尚未达到结构混凝土的水平，但其在非承重元素中的应用仍具吸引力。此外，化学副产品的处理问题也突显了可持续建筑材料发展的复杂性。随着技术的进步，未来可能会有更多创新解决方案出现，推动建筑行业向更环保的方向发展。