La idea parece futurista: en ETH Zurich, varias disciplinas están trabajando juntas para combinar materiales convencionales con bacterias, algas y hongos. El objetivo común: crear materiales vivos que adquieran propiedades útiles gracias al metabolismo de los microorganismos, «como la capacidad de unir CO2 Desde el aire por medio de la fotosíntesis «, dice Mark Tibbitt, profesor de ingeniería macromolecular en ETH Zurich.
Un equipo de investigación interdisciplinario dirigido por Tibbitt ahora ha convertido esta visión en realidad: ha incorporado de manera estable las bacterias fotosintéticas, conocidas como cianobacterias, en un gel imprimible y desarrollado un material que está vivo, crece y elimina activamente el carbono del aire. Los investigadores presentaron recientemente su «material de vida fotosintético» en un estudio en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
Característica clave: secuestro de carbono dual
El material se puede moldear utilizando la impresión 3D y solo requiere luz solar y agua de mar artificial con nutrientes fácilmente disponibles además de CO2 para crecer. «Como material de construcción, podría ayudar a almacenar CO2 Directamente en edificios en el futuro «, dice Tibbitt, quien coinicionó la investigación sobre materiales vivos en ETH Zurich.
Lo especial de esto: el material vivo absorbe mucho más2 que se une a través del crecimiento orgánico. «Esto se debe a que el material puede almacenar carbono no solo en la biomasa, sino también en forma de minerales, una propiedad especial de estas cianobacterias», revela Tibbitt.
Yifan Cui, uno de los dos autores principales del estudio, explica: «Las cianobacterias se encuentran entre las formas de vida más antiguas del mundo. Son altamente eficientes en la fotosíntesis y pueden utilizar incluso la luz más débil para producir biomasa de CO2 y agua «.
Al mismo tiempo, las bacterias cambian su entorno químico fuera de la célula como resultado de la fotosíntesis, de modo que los carbonatos sólidos (como la cal) precipitan. Estos minerales representan un sumidero de carbono adicional y, en contraste con la biomasa, Store Co2 en una forma más estable.
Cianobacterias como constructores maestros
«Utilizamos esta capacidad específicamente en nuestro material», dice Cui, quien es un estudiante doctoral en el grupo de investigación de Tibbitt. Un efecto secundario práctico: los minerales se depositan dentro del material y lo refuerzan mecánicamente. De esta manera, las cianobacterias endurecen lentamente las estructuras inicialmente blandas.
Las pruebas de laboratorio mostraron que el material se une continuamente al CO2 durante un período de 400 días, la mayoría en forma mineral, alrededor de 26 miligramos de CO2 por gramo de material. Esto es significativamente más que muchos enfoques biológicos y comparable a la mineralización química del concreto reciclado (alrededor de 7 mg de CO2 por gramo).
Hidrogel como hábitat
El material portador que alberga las células vivas es un hidrogel, un gel hecho de polímeros reticulados con un alto contenido de agua. El equipo de Tibbitt seleccionó la red de polímeros para que pueda transportar Light, CO2agua y nutrientes y permite que las células se propagen uniformemente por dentro sin dejar el material.
Para garantizar que las cianobacterias vivan el mayor tiempo posible y sigan siendo eficientes, los investigadores también han optimizado la geometría de las estructuras utilizando procesos de impresión 3D para aumentar el área de superficie, aumentar la penetración de la luz y promover el flujo de nutrientes.
La co-directa autora Dalia Dranseike: «De esta manera, creamos estructuras que permiten la penetración de la luz y distribuyen pasivamente el líquido de nutrientes en todo el cuerpo por las fuerzas capilares». Gracias a este diseño, las cianobacterias encapsuladas vivieron productivamente durante más de un año, el investigador de materiales en el equipo de Tibbitt se complace en informar.
Infraestructura como sumidero de carbono
Los investigadores ven su material vivo como un enfoque de baja energía y ecológica que puede unirse a CO2 a partir de la atmósfera y complementando los procesos químicos existentes para el secuestro de carbono. «En el futuro, queremos investigar cómo el material puede usarse como un recubrimiento para construir fachadas para atar2 A lo largo de todo el ciclo de vida de un edificio, «Tibbitt mira hacia el futuro.
Todavía hay un largo camino por recorrer, pero los colegas del campo de la arquitectura ya han asumido el concepto y realizados las interpretaciones iniciales de una manera experimental.
Dos instalaciones en Venecia y Milán
Gracias a la estudiante doctoral de ETH, Andrea Shin Ling, la investigación básica de ETH Laboratories ha llegado al gran escenario de la Bienal de Arquitectura en Venecia. «Fue particularmente desafiante ampliar el proceso de producción desde el formato de laboratorio hasta las dimensiones de la habitación», dice el arquitecto y biodiseador, quien también está involucrado en este estudio.
Ling está haciendo su doctorado en la silla del profesor de ETH Benjamin Dillenburger de tecnologías de construcción digital. En su disertación, desarrolló una plataforma para la biofabricación que puede imprimir estructuras vivos que contienen cianobacterias funcionales a escala arquitectónica.
Para la instalación de PicoPlanctonics en el pabellón de Canadá, el equipo del proyecto utilizó las estructuras impresas como bloques de construcción vivos para construir dos objetos de tronco de árboles, el más grande de alrededor de tres metros de altura. Gracias a las cianobacterias, cada uno puede unirse a 18 kg de co2 Por año, casi tanto como un pino de 20 años en la zona templada.
«La instalación es un experimento: hemos adaptado el pabellón de Canadá para que proporcione suficiente luz, humedad y calidez para que las cianobacterias prosperen y luego vemos cómo se comportan», dice Ling. Este es un compromiso: el equipo monitorea y mantiene la instalación en el sitio, diariamente. Hasta el 23 de noviembre.
En el 24 ° Triennale Di Milano, la piel de Dafne está investigando el potencial de los materiales vivos para futuros sobres de construcción. En una estructura cubierta de tejas de madera, los microorganismos forman una pátina verde profunda que cambia la madera con el tiempo: un signo de descomposición se convierte en un elemento de diseño activo que se une a CO2 y enfatiza la estética de los procesos microbianos. La piel de Dafne es una colaboración entre Maeid Studio y Dalia Dranseike. Es parte de la exposición «We the Bacteria: Notes hacia la arquitectura biótica» y se extiende hasta el 9 de noviembre.
El material de vida fotosintético se creó gracias a una colaboración interdisciplinaria en el marco de Vivo (ingeniería avanzada con materiales vivos). La iniciativa ETH Zurich promueve la colaboración entre investigadores de diferentes disciplinas para desarrollar nuevos materiales vivos para una amplia gama de aplicaciones.
