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【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(huó)混(hùn)凝(níng)土(tǔ)的(de)自(zì)愈(yù)机(jī)制(zhì)及(jí)其(qí)对(duì)未(wèi)来(lái)建(jiàn)设(shè)的(de)重(zhòng)大(dà)影(yǐng)响(xiǎng)。

你(nǐ)有(yǒu)没(méi)有(yǒu)注(zhù)意(yì)过(guò)，桥(qiáo)梁(liáng)路面(miàn)上(shàng)那(nà)一(yī)道(dào)道(dào)裂(liè)痕(hén)？或(huò)许(xǔ)你(nǐ)家(jiā)墙(qiáng)角(jiǎo)也(yě)有(yǒu)不(bù)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、腐蚀甚至坍塌的隐患。

混凝土墙面的裂痕（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(lái)像是科幻小说里的场景(jǐng)。但(dàn)现(xiàn)在(zài)，这(zhè)一(yī)设(shè)想(xiǎng)正(zhèng)逐(zhú)步(bù)成(chéng)为(wèi)现(xiàn)实(shí)。

混(hùn)凝(níng)土(tǔ)的(de)强(qiáng)大(dà)与(yǔ)脆(cuì)弱(ruò)：从(cóng)城(chéng)市(shì)基(jī)石(shí)到(dào)隐(yǐn)形(xíng)裂(liè)缝(fèng)

混(hùn)凝(níng)土(tǔ)，无(wú)论(lùn)是(shì)高(gāo)楼(lóu)大(dà)厦(shà)、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。这是由于它的抗拉强度较低，面对温度变化、干湿交替、重载荷或地基不均等因素时，很容易出现细小甚至肉眼难察的裂纹。

这些裂缝初看似乎无关紧要，但它们却是破坏的起点。一旦裂缝出现，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(wǒ)愈(yù)合(hé)，我(wǒ)们(men)能(néng)否(fǒu)彻(chè)底(dǐ)改(gǎi)变(biàn)这(zhè)个(gè)局(jú)面(miàn)？

技(jì)术(shù)演(yǎn)化(huà)：从(cóng)“细(xì)菌(jūn)混(hùn)凝(níng)土(tǔ)”到(dào)“合(hé)成(chéng)地(de)衣(yī)”

为(wèi)了(le)应(yīng)对(duì)混(hùn)凝(níng)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部，一旦裂缝出现、空气与水渗入，这些微生物便复苏，并开始分泌能够封闭裂缝的碳酸钙。

这种方法被称为微生物诱导碳酸盐沉积，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(le)运(yùn)维(wéi)成(chéng)本(běn)，也(yě)削(xuē)弱(ruò)了(le)自(zì)动(dòng)修(xiū)复(fù)的(de)初(chū)衷(zhōng)。

科(kē)学(xué)家(jiā)意(yì)识(shi)到(dào)，要(yào)让(ràng)混(hùn)凝(níng)土(tǔ)真(zhēn)正(zhèng)活(huó)起(qǐ)来(lái)，必(bì)须(xū)引(yǐn)入(rù)一(yī)种(zhǒng)不(bù)依(yī)赖(lài)外(wài)部(bù)营(yíng)养(yǎng)供(gōng)应(yīng)、能在自然环境中自主生存并修复裂缝的微生物系统。于是，他们将目光投向了一种在自然界极其耐受、功能互补的共生体——地衣。

图中浅色部分为地衣（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(dōu)能(néng)依(yī)靠(kào)光(guāng)合(hé)作(zuò)用(yòng)、空(kōng)气(qì)和(hé)极(jí)微(wēi)量(liàng)水(shuǐ)分(fēn)生(shēng)存(cún)多(duō)年(nián)不(bù)死(sǐ)。它(tā)们(men)不(bù)仅(jǐn)能(néng)自(zì)我(wǒ)供(gōng)能(néng)，还(hái)能(néng)缓(huǎn)慢(màn)积(jī)累(lèi)矿(kuàng)物(wù)质(zhì)，这(zhè)与(yǔ)裂(liè)缝(fèng)封(fēng)闭(bì)所(suǒ)需(xū)的(de)碳(tàn)酸(suān)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。这为活混凝土的工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，向具有生命特征的功能材料进化。这种新型合成地衣系统，让混凝土首次具备了感知裂缝、修复损伤的自愈能力，不仅显著延长了材料寿命，更有望大幅降低维护成本、提升结构安全，乃至在偏远、极端或空间环境中实现真正意义上的零维护建设。

未来，这种活性材料或将广泛应用于桥梁、公路、海堤、隧道，甚至是火星基地的预制构件中。

参考文献：

[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(fù)教(jiào)授(shòu)；杨(yáng)超 博士）

审核：赵宝锋博士 辽宁生命科学学会

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