科學家研發出一種可自行修復裂縫的“活混凝土”
作品聲明：本文僅在今日頭條發佈，謝絕轉載
作者：Denovo科普團隊（孫克衍 中國礦業大學副教授；楊超 博士）
審覈：趙寶鋒博士 遼寧生命科學學會
你有沒有注意過，橋樑路面上那一道道裂痕？或許你家牆角也有不易察覺的細小裂縫。這些看似微不足道的裂痕，其實是混凝土這類建築材料的通病——堅硬，卻脆弱。一旦開裂，不僅影響美觀，更可能成爲結構老化、滲水、腐蝕甚至坍塌的隱患。
混凝土牆面的裂痕（圖片來源：作者使用AI生成）
假如有一天，混凝土能像動物的皮膚一樣，在受傷後自行癒合，不再依賴人力補救，會發生什麼？不需要人工巡檢、不需要灌漿修補，只要陽光、水和空氣，裂縫就能慢慢“長好”——這聽起來像是科幻小說裏的場景。但現在，這一設想正逐步成爲現實。
混凝土的強大與脆弱：從城市基石到隱形裂縫
混凝土，無論是高樓大廈、城市地鐵，還是跨江大橋、高速公路，幾乎無一不依賴這種材料。它由水泥、沙子、碎石與水混合硬化而成，具有極高的抗壓強度，能夠承受巨大的重量和壓力，因此在建築工程中的地位不可替代。
但混凝土也有天敵——裂縫。這是由於它的抗拉強度較低，面對溫度變化、乾溼交替、重載荷或地基不均等因素時，很容易出現細小甚至肉眼難察的裂紋。
這些裂縫初看似乎無關緊要，但它們卻是破壞的起點。一旦裂縫出現，空氣與水分就會沿着縫隙滲入混凝土內部，侵蝕其中的鋼筋。鋼筋一旦鏽蝕，體積膨脹，反過來進一步推動混凝土開裂，形成惡性循環。隨着時間推移，這些微小的傷口可能最終演變成結構鬆動、路面塌陷，甚至橋樑斷裂的嚴重事故。
牆面的裂痕自我修復示意圖（圖片來源：作者使用AI生成）
更現實的問題是，維護混凝土極爲昂貴。人工巡檢、裂縫定位、營養注射、填料灌漿等傳統修復方法，不僅成本高，而且效率低，難以應對龐大的基建存量。於是，科學家開始思考一個大膽的問題：如果混凝土能像生命體一樣自我癒合，我們能否徹底改變這個局面？
技術演化：從“細菌混凝土”到“合成地衣”
爲了應對混凝土開裂這一工程難題，科學家們早在上世紀90年代就開始探索自愈混凝土的可行方案。最初的思路並不複雜：將具有生物活性的微生物封入混凝土內部，一旦裂縫出現、空氣與水滲入，這些微生物便復甦，並開始分泌能夠封閉裂縫的碳酸鈣。
這種方法被稱爲微生物誘導碳酸鹽沉積，在實驗室中取得了一定成果。細菌在裂縫處生成的碳酸鈣結晶，像“生物水泥”一樣將混凝土重新粘合起來。這被認爲是首批“活”混凝土材料的雛形。
一種活建築材料的結構支架（圖片來源：參考文獻[1]）
但這種早期細菌混凝土並不完美，最大的問題在於,它並不真正“自給自足”。這些細菌若要產生碳酸鈣，必須獲得一系列外部提供的營養物，如葡萄糖、尿素或鈣源。但在現實應用中，這意味着混凝土一旦開裂，還需要人工噴灑養分、施加水分，這無疑增加了運維成本，也削弱了自動修復的初衷。
科學家意識到，要讓混凝土真正活起來，必須引入一種不依賴外部營養供應、能在自然環境中自主生存並修復裂縫的微生物系統。於是，他們將目光投向了一種在自然界極其耐受、功能互補的共生體——地衣。
圖中淺色部分爲地衣（圖片來源：作者拍攝）
地衣其實並非單一生物，而是一種由藍藻或綠藻與真菌共生形成的複合體。在極端環境如岩石表面、沙漠、南極冰層上，地衣都能依靠光合作用、空氣和極微量水分生存多年不死。它們不僅能自我供能，還能緩慢積累礦物質，這與裂縫封閉所需的碳酸鈣沉積過程不謀而合。
受此啓發，2025年，美國德州農工大學的Jin教授團隊聯合內布拉斯加大學的科學家，首次設計出一種合成地衣系統。該系統由藍藻Synechocystis sp. PCC 6803與絲狀真菌Aspergillus nidulans組成，兩者協同作用，在裂縫處可持續生成大量碳酸鈣。
這一突破意味着混凝土首次擁有了仿生自我修復的潛力——不僅能感知裂縫，還能動手修復，而且幾乎不需要人類干預。
活混凝土是如何“自愈”的？雙重微生物角色分工明確
合成地衣系統的關鍵在於，它不僅是一種活性填料，而是一個能在混凝土內部自主存活、持續響應並生成修復材料的仿生共生體系統。
藍藻（Synechocystis sp. PCC 6803）作爲光合生物，它能利用陽光和空氣中的二氧化碳進行光合作用，生成有機物和氧氣，類似地衣中供能者的角色。它還能固定氮氣，爲共生系統提供基本生存原料。
真菌（Aspergillus nidulans）該絲狀真菌具有極強的生物礦化誘導能力，能吸附環境中的鈣離子，並促進碳酸鈣的沉積。這種碳酸鈣結晶恰好是封閉混凝土裂縫的關鍵材料，與水泥結構天然兼容。
合成地衣系統自動生成碳酸鈣的原理圖（圖片來源：參考文獻[2]）
藍藻供能，真菌成礦，兩者共生的微型生態系統形成後，就能在裂縫中穩定地活下來，並源源不斷地產生修復材料。
在Jin教授團隊的實驗中，研究者通過掃描電鏡（SEM）與能譜分析（EDS）發現，在合成地衣系統的作用下，裂縫中形成連續分佈的碳酸鈣沉積帶，厚度達數百微米；真菌與藍藻均能在水泥基質中穩定存活數週甚至更久，未見明顯衰亡；修復區的裂縫寬度明顯減小，部分樣本裂縫幾乎被完全封閉；這一過程無需添加外部營養物或人工干預，只依賴光、水與空氣。
此外，研究人員還模擬了乾溼循環、光照/黑暗交替等現實環境，驗證系統在複雜條件下依然具有可持續修復能力。
論文指出，構建該合成系統的兩個微生物之間沒有競爭關係，而是功能互補。其組成與天然地衣類似，因此具備良好的生態穩定性。這爲活混凝土的工程應用提供了理論基礎，也提升了其長期可行性。
總結
活混凝土的出現，預示着一場建築材料的深層革命，從冷冰冰、被動承載的結構體，向具有生命特徵的功能材料進化。這種新型合成地衣系統，讓混凝土首次具備了感知裂縫、修復損傷的自愈能力，不僅顯著延長了材料壽命，更有望大幅降低維護成本、提升結構安全，乃至在偏遠、極端或空間環境中實現真正意義上的零維護建設。
未來，這種活性材料或將廣泛應用於橋樑、公路、海堤、隧道，甚至是火星基地的預製構件中。
參考文獻：
[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.
