材料科学全新概念：加入叶绿体的新型自愈材料 可吸收大量二氧化碳

麻省理工学院化学工程师设计的一种材料可以与空气中的二氧化碳发生反应，从而生长、增强甚至自我修复。这种聚合物有一天可能会被用作建筑材料、修复材料或防护涂层，它会不断地将温室气体转化为碳基材料，从而增强自身的力量。

这种新材料的目前版本是一种合成凝胶状物质，它的化学过程类似于植物将空气中的二氧化碳吸收到其生长组织中的方式。例如，这种材料可以制成一种轻质基质面板，然后运到建筑工地，在那里，由于暴露在空气和阳光下，它们就会硬化固化，从而节省能源和运输成本。

Michael Strano教授、博士后Seon-Yeong Kwak以及麻省理工学院和加州大学河滨分校的其他八人在《Advanced Materials》杂志上发表了这一发现

“这是材料科学上的一个全新概念，”化学工程教授Strano说。他说，在生物领域之外，“我们所谓的碳固定材料目前还不存在”。他描述这种碳固定材料可以只用阳光的力量就将环境空气中的二氧化碳转化为固体、稳定的形式，就像植物一样。

研究人员指出，开发一种合成材料不仅可以在这种材料的生产过程中避免化石燃料的使用，而且实际上还可以消耗空气中的二氧化碳，这对环境和气候有明显的好处。Strano说:“想象一下，有一种可以像树木一样生长的合成材料，它可以从二氧化碳中提取碳，并将其整合到材料的主干中。”

在这些最初的概念验证实验中，研究小组使用的材料确实使用了一种生物成分——叶绿体，即植物细胞中的光利用成分，由研究人员从菠菜叶片中获得。但叶绿体不是活的，而是作为一种催化剂，催化二氧化碳转化为葡萄糖的反应。被分离的叶绿体是非常不稳定的，这意味着它们在离开植株几个小时后就会停止工作。在他们的论文中，Strano和他的同事展示了显著提高提取叶绿体催化寿命的各种方法。Strano解释说，在目前和未来的工作中，叶绿体正被非生物来源的催化剂所取代。

研究人员使用的材料是一种凝胶基质，由氨丙基甲基丙烯酰胺(APMA)、葡萄糖、一种称为葡萄糖氧化酶的酶和叶绿体组成的聚合物组成，当它与碳结合时则会变得更强。研究人员说，它的坚硬程度还不足以用作建筑材料，但它可以被作为裂缝填充或涂层材料。

该团队已经制定出了大量生产这种材料的方法，目前正致力于优化材料的性能。他们说，像自愈涂层和裂纹填充这样的商业应用在短期内是可以实现的，然而在开发建筑材料和复合材料之前，还需要在主干化学和材料科学方面取得额外的进展。

Strano说，这种材料的一个关键优点是，在暴露于阳光或室内光线下，它们可以自我修复。如果表面被划伤或开裂，受伤的区域会不断生长，以填补缺口和修复损伤，且不需要任何外力。

研究人员说，虽然现在已经有许多研究人员在努力开发能够模仿这种生物有机体自愈能力的自愈材料，但这些材料都需要一个主动的外部作用力才能发挥作用。加热、紫外光、机械应力或化学处理是激活这一自愈过程所必需的。相比之下，这些材料只需要环境光，而且它们还可以在大气中吸收大量无处不在的碳。

Kwak说，这种物质开始时是液态的，他补充说，“看着它开始生长并聚集成固体形态，这很令人兴奋。”

“材料科学从来没有生产过这样的东西，”Strano说。“这些材料模拟了生物的某些方面，即使它们并没有繁殖。”由于这一发现开启了一系列可能的后续研究，美国能源部正赞助一个由Strano指导的新项目，以进一步发展这一项目。

Strano说:“我们的工作表明，二氧化碳可以不仅仅是纯粹的负担和成本，在这方面，这也是一个机会，碳无处不在，我们用碳来建造世界，人类是由碳构成的。制造一种可以获取我们周围丰富的碳的材料对材料科学来说是一个非常重要的机遇。这样，我们的工作就不仅仅是制造碳中性的材料，而是制造负碳材料。

这项工作得到了美国能源部的支持，研究小组成员包括加州大学河滨分校的Juan Pablo Giraldo、麻省理工学院的Tedrick Lew、Min Hao Wong、Pingwei Liu、Yun Jung Yang、Volodomyr Koman、Melissa McGee和Bradley Olsen。