I ricercatori dell’ETH hanno sviluppato un materiale vivente a base di cianobatteri e idrogel stampato in 3D che cattura e immagazzina l’anidride carbonica

I ricercatori del Politecnico di Zurigo stanno sviluppando una materiale vivente capace di catturare l’anidride carbonica dall’atmosfera e immagazzinarla. La futuristica invenzione si deve all’unione di due ingredienti fondamentali: idrogel e cianobatteri.

Incorporati nell’ambiente stabile dell’idrogel, questi batteri fotosintetici estraggono CO2 dall’aria e la convertono in biomassa e minerali, dando vita (letteralmente) a un materiale da costruzione unico, che si è già meritato un posto alla Biennale di Architettura di Venezia e alla Triennale di Milano.

Il materiale vivente che immagazzina la CO2

Al Politecnico di Zurigo, un gruppo di ricercatori provenienti da diverse discipline sta lavorando alla creazione di “nuovi materiali viventi”: l’iniziativa si chiama ALIVE (Advanced Engineering with Living Materials), e punta a sviluppare i dispositivi medici, i robot e gli edifici del futuro a partire dal naturale funzionamento di alcuni organismi viventi. I progetti vanno dai tessuti bioibridi per la robotica soft ai materiali da costruzione che sfruttano il metabolismo di batteri, funghi e altri organismi per estrarre attivamente CO2 dall’atmosfera.

Il nuovo materiale fotosintetico è stato creato nell’ambito di questa importante collaborazione interdisciplinare, che coinvolge oltre 20 cattedre di scienza dei materiali, ingegneria, scienza dei biosistemi e possibili aree di impatto come l’architettura e la salute. Il team guidato da Mark Tibbitt, professore di ingegneria macromolecolare all’ETH, è riuscito a sfruttare la fotosintesi dei cianobatteri, che usano la CO2 presente nell’aria per i loro processi metabolici, per creare un materiale da costruzione vivente che rimuove attivamente la CO2 dall’atmosfera.

Il team ha incorporato i batteri fotosintetici in un idrogel polimerico stampabile in 3D, dando vita un materiale che per crescere richiede solo la luce del sole, l’anidride carbonica e dell’acqua di mare ricca di sostanze nutritive prontamente disponibili. Come spiega Tibbitt, il nuovo materiale vivente potrebbe essere usato per costruire edifici che catturano e immagazzinano la CO2.

Magia dei cianobatteri: la doppia cattura della CO2

La particolarità di questo materiale è che assorbe molta più anidride carbonica di quanta ne utilizzi per la crescita organica. Come spiega Tibbitt, questo avviene per un motivo ben preciso: il materiale, infatti, può immagazzinare il carbonio non solo nella biomassa, ma anche sotto forma di minerali – una proprietà speciale di questi cianobatteri.

Come spiega Yifan Cui, tra gli autori principali dello studio pubblicato su Nature Communications,

“I cianobatteri sono tra le forme di vita più antiche del mondo. Sono altamente efficienti nella fotosintesi e possono utilizzare anche la luce più debole per produrre biomassa da CO2 e acqua”.

Sono i primi organismi noti per aver prodotto ossigeno, fondamentale per lo sviluppo di forme di vita complesse, e sono il primo anello della catena alimentare marina. E mentre crescono, i cianobatteri modificano l’ambiente esterno facendo precipitare carbonati solidi come la calce, in un processo noto come microbially-induced carbonate precipitation (MICP). Questi minerali risultato della fotosintesi dei cianobatteri sono a tutti gli effetti un ulteriore serbatoio di carbonio. E come spiegano gli scienziati, questi carbonati possono immagazzinare la CO2 in una forma più stabile di quanto avvenga nella biomassa.

La peculiare capacità di far precipitare minerali solidi trova un’ottima applicazione pratica: il deposito di carbonati, infatti, rinforza meccanicamente il materiale. I cianobatteri, cioè, solidificano lentamente delle strutture inizialmente morbide.

I test di laboratorio hanno mostrato che il materiale vivente continua a usare la CO2 per un periodo di 400 giorni, e che la maggior parte dell’anidride carbonica viene “archiviata” in forma minerale: si parla di circa 26 milligrammi di CO2 in carbonati per ogni grammo di materiale – un valore nettamente superiore, per esempio, di quello del calcestruzzo riciclato mineralizzato (circa 7 mg/g).

L’idrogel stampato in 3D come habitat

Il materiale di supporto che ospita le cellule viventi è un idrogel, ovvero un gel ad alto contenuto di acqua costituito da polimeri reticolati. Il team di Tibbitt ha scelto la rete di polimeri in modo che possa trasportare luce, CO2, acqua e sostanze nutritive e che permetta alle cellule di distribuirsi uniformemente al suo interno senza uscire dalla struttura.

I ricercatori hanno ottimizzato la geometria delle strutture ospitanti utilizzando processi di stampa 3D per aumentare la superficie di contatto e la penetrazione della luce e per migliorare il flusso delle sostanze nutritive. Come spiega Dalia Dranseike, tra gli autori principali della ricerca,

“Abbiamo creato strutture che consentono la penetrazione della luce e distribuiscono passivamente il fluido nutritivo in tutto il corpo grazie alle forze capillari”.

E in questo modo, spiega, i cianobatteri incapsulati hanno vissuto in maniera produttiva per oltre un anno. I ricercatori vedono il nuovo materiale vivente come un approccio a basso consumo energetico ed ecologico capace di sfruttare i processi chimici esistenti per il sequestro del carbonio.

“In futuro, vogliamo studiare come il materiale possa essere utilizzato come rivestimento per le facciate degli edifici, in modo da legare la CO2 durante l’intero ciclo di vita di un edificio”,

conclude Tibbitt.

Il materiale vivente dell’ETH in mostra a Venezia e Milano

La strada, spiegano i ricercatori, è ancora lunga. I colleghi delle facoltà di architettura, però, hanno già realizzato le prime interpretazioni di questo nuovo concetto. Grazie alla dottoranda dell’ETH Andrea Shin Ling, architetto e bio-designer, la ricerca di base dei laboratori dell’ETH è arrivata sul grande palcoscenico della Biennale di Architettura di Venezia.

Nella sua tesi, Ling ha sviluppato una piattaforma per la biofabbricazione in grado di stampare strutture viventi contenenti cianobatteri funzionali su scala architettonica. Per l’installazione Picoplanktonics nel Padiglione del Canada, il team del progetto ha utilizzato le strutture stampate come mattoni viventi per costruire due oggetti simili a tronchi d’albero, il più grande dei quali alto circa tre metri. Grazie ai cianobatteri, ciascuno di essi è in grado di legare fino a 18 kg di CO2 all’anno, circa quanto un pino di 20 anni nella zona temperata.

“L’installazione è un esperimento: abbiamo adattato il Padiglione Canada in modo che fornisca luce, umidità e calore sufficienti per la crescita dei cianobatteri e poi osserviamo come si comportano”,

spiega Ling. È un impegno: il team, assicura, monitora e mantiene l’installazione sul posto, ogni giorno. E sarà così fino al 23 novembre.

I materiali viventi dell’ETH sono in mostra anche alla Triennale di Milano all’interno dell’esposizione “We the Bacteria: Notes Toward Biotic Architecture“, in corso fino al 9 novembre. Qui i microrganismi che formano la patina verde sul legno, tradizionalmente vista come un segno di decadenza, diventano un elemento di design attivo che lega la CO2 ed esalta l’estetica dei processi microbici da cui è originata la vita per come la conosciamo.

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