Tái hiện quá trình thu giữ carbon: Vật liệu mới loại bỏ CO₂ khỏi không khí như một cái cây
Tác giả: Michael Keller, ETH Zurich Ngày 28 tháng 6 năm 2025
San hô in, sau 20 ngày. Tác giả: Yifan Cui & Dalia Dranseike / ETH Zurich
Các nhà khoa học đang thiết kế một vật liệu sống mới có thể thu giữ carbon dioxide trực tiếp từ không khí. Vật liệu này sử dụng vi khuẩn quang hợp để bẫy CO₂ ở cả dạng hữu cơ và dạng khoáng.
Khái niệm này nghe có vẻ xa vời: tại ETH Zurich, các nhà nghiên cứu từ nhiều ngành khác nhau đang hợp tác để kết hợp các vật liệu thông thường với các vi sinh vật như vi khuẩn, tảo và nấm. Mục tiêu chung của họ là tạo ra các vật liệu sống có được các đặc tính hữu ích thông qua quá trình trao đổi chất của vi khuẩn—“chẳng hạn như khả năng liên kết CO₂ từ không khí thông qua quá trình quang hợp”, Mark Tibbitt, Giáo sư Kỹ thuật Đại phân tử tại ETH Zurich giải thích.
Hiện nay, một nhóm liên ngành do Tibbitt đứng đầu đã biến ý tưởng này thành hiện thực. Họ đã nhúng thành công vi khuẩn quang hợp, được gọi là vi khuẩn lam, vào một loại gel có thể in, tạo ra một vật liệu sống, có khả năng phát triển và chủ động thu giữ carbon từ khí quyển. Nhóm nghiên cứu đã giới thiệu "vật liệu sống quang hợp" của họ trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Các buồng ủ cho phép vi khuẩn lam sinh sôi trong các cấu trúc mới in. Nguồn: Clayton Lee
Đặc điểm chính: Cô lập carbon kép
Vật liệu có thể được định hình bằng cách sử dụng công nghệ in 3D và chỉ cần ánh sáng mặt trời, carbon dioxide và nước biển nhân tạo với các chất dinh dưỡng thông thường để phát triển. "Là một vật liệu xây dựng, nó có thể giúp lưu trữ CO₂ trực tiếp trong các tòa nhà trong tương lai", Tibbitt, người đồng khởi xướng nghiên cứu vật liệu sống tại ETH Zurich, cho biết.
Điều đặc biệt về nó: vật liệu sống hấp thụ nhiều CO2 hơn nhiều so với lượng CO2 liên kết thông qua quá trình phát triển hữu cơ. Tibbitt tiết lộ "Điều này là do vật liệu có thể lưu trữ carbon không chỉ trong sinh khối mà còn ở dạng khoáng chất - một đặc tính đặc biệt của vi khuẩn lam này".
Nuôi cấy liên tục trong 400 ngày: Mới in, cấu trúc vẫn còn mềm. Sau 30 ngày, nó có thể đứng tự do và xanh tươi rõ rệt. Nó liên tục lưu trữ CO2 và cứng lại từ bên trong. (Tỷ lệ: 1 cm). Nguồn: Yifan Cui / ETH Zurich
Yifan Cui, một trong hai tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: "Vi khuẩn lam là một trong những dạng sống lâu đời nhất trên thế giới. Chúng có hiệu quả quang hợp cao và có thể sử dụng ngay cả ánh sáng yếu nhất để tạo ra sinh khối từ CO2 và nước".
Đồng thời, vi khuẩn làm thay đổi môi trường hóa học xung quanh thông qua quá trình quang hợp, tạo ra các cacbonat rắn như vôi. Các khoáng chất này đóng vai trò là bồn chứa carbon bổ sung và, không giống như sinh khối, lưu trữ CO₂ ở dạng ổn định và lâu dài hơn.
Cốc in. Nguồn: Yifan Cui & Dalia Dranseike / ETH Zurich
Vi khuẩn lam là bậc thầy xây dựng
"Chúng tôi sử dụng khả năng này cụ thể trong vật liệu của mình", Cui, một nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của Tibbitt, cho biết. Một tác dụng phụ thực tế: các khoáng chất được lắng đọng bên trong vật liệu và gia cố nó về mặt cơ học. Theo cách này, vi khuẩn lam dần làm cứng các cấu trúc ban đầu mềm.
Các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy vật liệu liên tục liên kết CO₂ trong khoảng thời gian 400 ngày, phần lớn ở dạng khoáng chất - khoảng 26 miligam CO2 trên một gam vật liệu. Con số này cao hơn đáng kể so với nhiều phương pháp tiếp cận sinh học và tương đương với quá trình khoáng hóa hóa học của bê tông tái chế (khoảng 7 mg CO2 trên một gam).
Độ ẩm, nhiệt và ánh sáng từ đèn tăng trưởng cho phép tảo lam phát triển mạnh. Nguồn: Girts Apskalns
Hydrogel như một môi trường sống
Vật liệu giữ các tế bào sống là hydrogel—một loại gel giàu nước được tạo thành từ các polyme liên kết chéo. Nhóm của Tibbitt đã thiết kế mạng lưới polyme để cho phép ánh sáng, carbon dioxide, nước và chất dinh dưỡng đi qua đồng thời cho phép các tế bào phân bổ đều khắp vật liệu.
Để giúp vi khuẩn lam tồn tại lâu hơn và duy trì hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa hình dạng của các cấu trúc được in bằng các kỹ thuật in 3D. Những điều chỉnh này làm tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng tiếp xúc với ánh sáng và tăng cường dòng chất dinh dưỡng.
Picoplanktonics cho thấy các vật thể định dạng lớn được tạo thành từ các cấu trúc quang hợp. Tín dụng: Valentina Mori/ Biennale di Venezia
Đồng tác giả đầu tiên Dalia Dranseike: "Theo cách này, chúng tôi đã tạo ra các cấu trúc cho phép ánh sáng xuyên qua và phân phối thụ động chất lỏng dinh dưỡng khắp cơ thể bằng lực mao dẫn." Nhờ thiết kế này, vi khuẩn lam được bao bọc đã sống một cách hiệu quả trong hơn một năm, nhà nghiên cứu vật liệu trong nhóm của Tibbitt vui mừng báo cáo.
Cơ sở hạ tầng như một bồn chứa carbon
Các nhà nghiên cứu coi vật liệu sống của họ là một phương pháp tiếp cận ít năng lượng và thân thiện với môi trường có thể liên kết CO2 từ khí quyển và bổ sung cho các quy trình hóa học hiện có để cô lập carbon. "Trong tương lai, chúng tôi muốn nghiên cứu cách vật liệu có thể được sử dụng làm lớp phủ cho mặt tiền tòa nhà để liên kết CO2 trong toàn bộ vòng đời của một tòa nhà", Tibbitt hướng tới tương lai.
Khoáng hóa CO2 của một cấu trúc mạng sống. Nguồn: Yifan Cui & Dalia Dranseike / ETH Zurich
Vẫn còn một chặng đường dài phía trước, nhưng các đồng nghiệp trong lĩnh vực kiến trúc đã tiếp thu khái niệm này và hiện thực hóa các diễn giải ban đầu theo cách thử nghiệm.
Hai công trình lắp đặt tại Venice và Milan
Nhờ có nghiên cứu sinh tiến sĩ Andrea Shin Ling của ETH, nghiên cứu cơ bản từ các phòng thí nghiệm ETH đã được đưa lên sân khấu lớn tại Triển lãm Kiến trúc Biennale ở Venice. "Thật đặc biệt khó khăn khi mở rộng quy mô sản xuất từ định dạng phòng thí nghiệm lên kích thước phòng", kiến trúc sư và nhà thiết kế sinh học, người cũng tham gia vào nghiên cứu này, cho biết.
"Quả dứa" in 3D với vi khuẩn lam phát triển bên trong sau thời gian phát triển 60 ngày. Màu xanh lá cây đến từ chất diệp lục của vi khuẩn quang hợp. Nguồn: Yifan Cui / ETH Zurich
Ling đang theo học tiến sĩ tại Khoa Công nghệ Xây dựng Kỹ thuật số của Giáo sư Benjamin Dillenburger thuộc ETH. Trong luận án của mình, cô đã phát triển một nền tảng cho chế tạo sinh học có thể in các cấu trúc sống chứa vi khuẩn lam chức năng ở quy mô kiến trúc.
Đối với công trình lắp đặt Picoplanktonics tại Canada Pavilion, nhóm dự án đã sử dụng các cấu trúc in như các khối xây dựng sống để xây dựng hai vật thể giống thân cây, vật thể lớn nhất cao khoảng ba mét. Nhờ có vi khuẩn lam, mỗi vật thể này có thể liên kết tới 18 kg CO2 mỗi năm - tương đương với một cây thông 20 tuổi ở vùng ôn đới.
Cấu trúc lưới in 3D. Tín dụng: Yifan Cui & Dalia Dranseike / ETH Zurich
“Công trình lắp đặt này là một thử nghiệm - chúng tôi đã điều chỉnh Canada Pavilion để cung cấp đủ ánh sáng, độ ẩm và nhiệt độ cho vi khuẩn lam phát triển mạnh và sau đó chúng tôi theo dõi cách chúng hoạt động”, Ling nói. Đây là một cam kết: Nhóm sẽ giám sát và bảo trì công trình lắp đặt tại chỗ - hàng ngày. Cho đến ngày 23 tháng 11.
Tại Triennale di Milano lần thứ 24, Dafne’s Skin đang nghiên cứu tiềm năng của vật liệu sống cho các lớp vỏ tòa nhà trong tương lai. Trên một cấu trúc được phủ bằng ván lợp gỗ, các vi sinh vật tạo thành lớp gỉ màu xanh đậm làm thay đổi gỗ theo thời gian: dấu hiệu phân hủy trở thành yếu tố thiết kế tích cực liên kết CO2 và tăng cường tính thẩm mỹ của các quá trình vi sinh vật. Dafne’s Skin là sự hợp tác giữa MAEID Studio và Dalia Dranseike. Đây là một phần của triển lãm “Chúng ta là vi khuẩn: Ghi chú hướng tới kiến trúc sinh học” và diễn ra đến ngày 9 tháng 11.
Tài liệu tham khảo: “Cách ly carbon kép bằng vật liệu sống quang hợp” của Dalia Dranseike, Yifan Cui, Andrea S. Ling, Felix Donat, Stéphane Bernhard, Margherita Bernero, Akhil Areeckal, Marco Lazic, Xiao-Hua Qin, John S. Oakey, Benjamin Dillenburger, André R. Studart và Mark W. Tibbitt, ngày 23 tháng 4 năm 2025, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-58761-y
