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2025-08-08 17:01:02
【导语】你是否留意过桥梁路面或家中墙角的细小裂缝？这些看似微不足道的裂痕，实则是混凝土等建筑材料的通病，一旦开裂，不仅影响美观，更可能引发结构安全隐患。然而，随着科技的进步，一个革命性的设想正逐步成为现实——让混凝土像生物皮肤一样自我愈合。科学家通过引入合成地衣系统，使混凝土具备了感知裂缝并自我修复的能力，这预示着建筑材料领域的一场深刻变革。本文将带你探索这一前沿科技，了解活混凝土的自愈机制及其对未来建设的重大影响。
你有没有注意过，桥梁路面上那一道道裂痕？或许你家墙角也有不易察觉的细小裂缝。这些看似微不足道的裂痕，其实是混凝土这类建筑材料的通病——坚硬，却脆弱。一旦开裂，不仅影响美观，更可能成为结构老化、渗水、腐(fǔ)蚀(shí)甚(shén)至(zhì)坍(tān)塌(tā)的(de)隐(yǐn)患(huàn)。
混(hùn)凝(níng)土(tǔ)墙(qiáng)面(miàn)的(de)裂痕（图片来源：作者使用AI生成）
假如有一天，混凝土能像动物的皮肤一样，在受伤后自行愈合，不再依赖人力补救，会发生什么？不需要人工巡检、不需要灌浆修补，只要阳光、水和空气，裂缝就能慢慢“长好”——这听起来像是科幻小说里的场景。但现在，这一设想正逐步成为现实。
混凝土的强大与脆弱：从城市基石到隐形裂缝
混凝土，无论是高楼大厦、城市地铁，还是跨江大桥、高速公路，几乎无一不依赖这种材料。它由水泥、沙子、碎石与水混合硬化而成，具有极高的抗压强度，能够承受巨大的重量和压力，因此在建筑工程中的地位不可替代。
但混凝土也有天敌——裂缝。这是由(yóu)于(yú)它(tā)的(de)抗(kàng)拉(lā)强(qiáng)度(dù)较(jiào)低(dī)，面(miàn)对(duì)温(wēn)度(dù)变(biàn)化(huà)、干(gàn)湿(shī)交(jiāo)替(tì)、重(zhòng)载(zài)荷(hé)或(huò)地(de)基(jī)不(bù)均(jūn)等(děng)因(yīn)素(sù)时(shí)，很(hěn)容(róng)易(yì)出(chū)现(xiàn)细(xì)小(xiǎo)甚(shén)至(zhì)肉(ròu)眼(yǎn)难(nán)察(chá)的(de)裂(liè)纹(wén)。
这(zhè)些裂缝初看似乎无关紧要，但它们却是破坏的起点。一(yī)旦(dàn)裂(liè)缝出现，空气与水分就会沿着缝隙渗入混凝土内部，侵蚀其中的钢筋。钢筋一旦锈蚀，体积膨胀，反过来进一步推动混凝土开裂，形成恶性循环。随着时间推移，这些微小的伤口可能最终演变成结构松动、路面塌陷，甚至桥梁断裂的严重事故。
墙面的裂痕自我修复示意图（图片来源：作者使用AI生成）
更现实的问题是，维护混凝土极为昂贵。人工巡检、裂缝定位、营养注射、填料灌浆等传统修复方法，不仅成本高，而且效率低，难以应对庞大的基建存量。于是，科学家开始思考一个大胆的问题：如果混凝土能像生命体一样自我愈合，我们能否彻底改变这个局面？
技术演化：从“细菌混凝土”到“合成地衣”
为了应对混凝土开裂这一工程难题，科学家们早在上世纪90年代就开始探索自愈混凝土的可行方案。最初的思路并不复杂：将具有生物活性的微生物封入混凝土内(nèi)部(bù)，一(yī)旦(dàn)裂(liè)缝(fèng)出(chū)现(xiàn)、空(kōng)气(qì)与(yǔ)水(shuǐ)渗(shèn)入(rù)，这(zhè)些(xiē)微(wēi)生(shēng)物(wù)便(biàn)复(fù)苏(sū)，并(bìng)开(kāi)始(shǐ)分(fēn)泌(mì)能(néng)够(gòu)封(fēng)闭(bì)裂(liè)缝(fèng)的(de)碳(tàn)酸(suān)钙(gài)。
这(zhè)种(zhǒng)方(fāng)法(fǎ)被(bèi)称(chēng)为(wèi)微(wēi)生(shēng)物(wù)诱(yòu)导(dǎo)碳(tàn)酸(suān)盐(yán)沉(chén)积，在实验室中取得了一定成果。细菌在裂缝处生成的碳酸钙结晶，像“生物水泥”一样将混凝土重新粘合起来。这被认为是首批“活”混凝土材料的雏形。
一种活建筑材料的结构支架（图片来源：参考文献[1]）
但这种早期细菌混凝土并不完美，最大的问题在于,它并不真正“自给自足”。这些细菌若要产生碳酸钙，必须获得一系列外部提供的营养物，如葡萄糖、尿素或钙源。但在现实应用中，这意味着混凝土一旦开裂，还需要人工喷洒养分、施加水分，这无疑增加了运维成本，也削弱了自动修复的初衷。
科学家意识到，要让混凝土真正活起来，必须引入一种不依赖外部营养供应、能在自然环境中自主生(shēng)存(cún)并(bìng)修(xiū)复(fù)裂(liè)缝(fèng)的(de)微(wēi)生(shēng)物(wù)系(xì)统(tǒng)。于(yú)是(shì)，他(tā)们(men)将(jiāng)目(mù)光(guāng)投(tóu)向(xiàng)了(le)一(yī)种(zhǒng)在(zài)自(zì)然(rán)界(jiè)极(jí)其(qí)耐(nài)受(shòu)、功(gōng)能(néng)互(hù)补(bǔ)的(de)共(gòng)生(shēng)体(tǐ)——地(de)衣(yī)。
图(tú)中(zhōng)浅(qiǎn)色(sè)部分为地衣（图片来源：作者拍摄）
地衣其实并非单一生物，而是一种由蓝藻或绿藻与真菌共生形成的复合体。在极端环境如岩石表面、沙漠、南极冰层上，地衣都能依靠光合作用、空气和极微量水分生存多年不死。它们不仅能自我供能，还能缓慢积累矿物质，这与裂缝封闭所需的碳酸钙沉积过程不谋而合。
受此启发，2025年，美国德州农工大学的Jin教授团队联合内布拉斯加大学的科学家，首次设计出一种合成地衣系统。该系统由蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803与丝状真菌Aspergillus nidulans组成，两者协同作用，在裂缝处可持续生成大量碳酸钙。
这一突破意味着混凝土首次拥有了仿生自我修复的潜力——不仅能感知裂缝，还能动手修复，而且几乎不需要人类干预。
活混凝土是如何“自愈”的？双重微生物角色分工明确
合成地衣系统的关键在于，它不仅是一种活性填料，而是一个能在混凝土内部自主存活、持续响应并生成修复材料的仿生共生体系统。
蓝藻（Synechocystis sp. PCC 6803）作为光合生物，它能利用阳光和空气中的二氧化碳进行光合作用，生成有机物和氧气，类似地衣中供能者的角色。它还能固定氮气，为共生系统提供基本生存原料。
真菌（Aspergillus nidulans）该丝状真菌具有极强的生物矿化诱导能力，能吸附环境中的钙离子，并促进碳酸钙的沉积。这种碳酸钙结晶恰好是封闭混凝土裂缝的关键材料，与水泥结构天然兼容。
合成地衣系统自动生成碳酸钙的原理图（图片来源：参考文献[2]）
蓝藻供能，真菌成矿，两者共生的微型生态系统形成后，就能在裂缝中稳定地活下来，并源源不断地产生修复材料。
在Jin教授团队的实验中，研究者通过扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS）发现，在合成地衣系统的作用下，裂缝中形成连续分布的碳酸钙沉积带，厚度达数百微米；真菌与蓝藻均能在水泥基质中稳定存活数周甚至更久，未见明显衰亡；修复区的裂缝宽度明显减小，部分样本裂缝几乎被完全封闭；这一过程无需添加外部营养物或人工干预，只依赖光、水与空气。
此外，研究人员还模拟了干湿循环、光照/黑暗交替等现实环境，验证系统在复杂条件下依然具有可持续修复能力。
论文指出，构建该合成系统的两个微生物之间没有竞争关系，而是功能互补。其组成与天然地衣类似，因此具备良好的生态稳定性。这为活混(hùn)凝(níng)土(tǔ)的(de)工(gōng)程应用提供了理论基础，也提升了其长期可行性。
总结
活混凝土的出现，预示着一场建筑材料的深层革命，从冷冰冰、被动承载的结构体，向具(jù)有(yǒu)生(shēng)命(mìng)特(tè)征(zhēng)的(de)功(gōng)能(néng)材(cái)料(liào)进(jìn)化(huà)。这(zhè)种(zhǒng)新(xīn)型(xíng)合(hé)成(chéng)地(de)衣(yī)系(xì)统(tǒng)，让(ràng)混(hùn)凝(níng)土(tǔ)首(shǒu)次(cì)具(jù)备(bèi)了(le)感(gǎn)知(zhī)裂(liè)缝(fèng)、修(xiū)复(fù)损(sǔn)伤(shāng)的(de)自(zì)愈(yù)能(néng)力(lì)，不(bù)仅(jǐn)显(xiǎn)著(zhe)延(yán)长(zhǎng)了(le)材(cái)料(liào)寿(shòu)命(mìng)，更(gèng)有(yǒu)望(wàng)大(dà)幅(fú)降(jiàng)低(dī)维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)、提(tí)升(shēng)结(jié)构(gòu)安(ān)全，乃(nǎi)至(zhì)在(zài)偏(piān)远(yuǎn)、极(jí)端(duān)或(huò)空(kōng)间(jiān)环(huán)境(jìng)中(zhōng)实(shí)现(xiàn)真(zhēn)正(zhèng)意(yì)义(yì)上(shàng)的(de)零(líng)维(wéi)护(hù)建(jiàn)设(shè)。
未(wèi)来(lái)，这(zhè)种(zhǒng)活(huó)性(xìng)材(cái)料(liào)或(huò)将(jiāng)广(guǎng)泛(fàn)应(yīng)用(yòng)于(yú)桥(qiáo)梁(liáng)、公(gōng)路、海(hǎi)堤(dī)、隧(suì)道(dào)，甚(shén)至(zhì)是(shì)火(huǒ)星(xīng)基(jī)地(de)的(de)预(yù)制(zhì)构(gòu)件(jiàn)中(zhōng)。
参(cān)考(kǎo)文献(xiàn)：
[1] Heveran, Chelsea M., et al. "Biomineralization and successive regeneration of engineered living building materials." Matter 2.2 (2020): 481-494.
[2] Rokaya, Nisha, et al. "Design of Co-culturing system of diazotrophic cyanobacteria and filamentous fungi for potential application in self-healing concrete." Materials Today Communications 44 (2025): 112093.
作者：Denovo科普团队（孙克衍 中国矿业大学副教授；杨超 博士）
审核：赵宝锋博士 辽宁生命科学学会
400-86503662
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