Des chercheurs sont en train de mettre au point un matériau vivant qui extrait activement le dioxyde de carbone de l’atmosphère. Des cyanobactéries photosynthétiques se développent à l’intérieur, formant de la biomasse et des minéraux solides et liant ainsi le CO2 de deux manières différentes.
| Points forts |
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| Des chercheurs de l’ETH présentent un matériau vivant composé d’un hydrogel dans lequel sont intégrées des cyanobactéries. Les bactéries photosynthétiques extraient le CO2 de l’atmosphère et le convertissent en biomasse et en minéraux contenant du carbonate. Ce matériau de construction imprimable en 3D devrait permettre de réduire l’empreinte carbone des bâtiments et des infrastructures à l’avenir. À la Biennale de Venise et à la Triennale de Milan, deux expositions explorent les possibilités d’utilisation de ce matériau vivant dans l’architecture. |
L’idée semble futuriste : à l’ETH Zurich, différentes disciplines collaborent pour combiner des matériaux conventionnels avec des bactéries, des algues et des champignons. L’objectif commun : créer des matériaux vivants qui acquièrent des propriétés utiles grâce au métabolisme des micro-organismes, « comme la capacité de fixer le CO2 de l’air par photosynthèse », explique Mark Tibbitt, professeur d’ingénierie macromoléculaire à l’ETH Zurich.
Une équipe de recherche interdisciplinaire dirigée par Tibbitt a désormais concrétisé cette vision : elle a incorporé de manière stable des bactéries photosynthétiques, appelées cyanobactéries, dans un gel imprimable et a développé un matériau vivant, qui se développe et élimine activement le carbone de l’air. Les chercheurs ont récemment présenté leur « matériau vivant photosynthétique » dans une étude publiée dans la revue Nature Communications.
Caractéristique clé : double séquestration du carbone
Le matériau peut être façonné à l’aide de l’impression 3D et ne nécessite que la lumière du soleil et de l’eau de mer artificielle contenant des nutriments facilement disponibles en plus du CO2 pour se développer. « En tant que matériau de construction, il pourrait à l’avenir contribuer à stocker le CO2 directement dans les bâtiments », explique M. Tibbitt, qui a co-initié la recherche sur les matériaux vivants à l’ETH Zurich.
Sa particularité : le matériau vivant absorbe beaucoup plus de CO2 qu’il n’en fixe par sa croissance organique. « En effet, le matériau peut stocker le carbone non seulement dans la biomasse, mais aussi sous forme de minéraux, une propriété particulière de ces cyanobactéries », révèle Tibbitt.
Structures vivantes imprimées en 3D
Yifan Cui, l’un des deux auteurs principaux de l’étude, explique : « Les cyanobactéries font partie des formes de vie les plus anciennes au monde. Elles sont très efficaces en matière de photosynthèse et peuvent utiliser même la lumière la plus faible pour produire de la biomasse à partir de CO2 et d’eau ».
Parallèlement, les bactéries modifient leur environnement chimique à l’extérieur de la cellule à la suite de la photosynthèse, de sorte que des carbonates solides (tels que la chaux) précipitent. Ces minéraux constituent un puits de carbone supplémentaire et, contrairement à la biomasse, stockent le CO2 sous une forme plus stable.
Les cyanobactéries, maîtres bâtisseurs
« Nous exploitons spécifiquement cette capacité dans notre matériau », explique M. Cui, doctorant dans le groupe de recherche de M. Tibbitt. Effet secondaire pratique : les minéraux se déposent à l’intérieur du matériau et le renforcent mécaniquement. De cette manière, les cyanobactéries durcissent lentement les structures initialement molles.
Des tests en laboratoire ont montré que le matériau fixe continuellement le CO₂ pendant une période de 400 jours, principalement sous forme minérale, à raison d’environ 26 milligrammes de CO₂ par gramme de matériau. Ce chiffre est nettement supérieur à celui obtenu avec de nombreuses approches biologiques et comparable à la minéralisation chimique du béton recyclé (environ 7 mg de CO₂ par gramme).
L’hydrogel comme habitat
Le matériau support qui abrite les cellules vivantes est un hydrogel, un gel composé de polymères réticulés à forte teneur en eau. L’équipe de Tibbitt a sélectionné le réseau polymère de manière à ce qu’il puisse transporter la lumière, le CO₂, l’eau et les nutriments et permette aux cellules de se répartir uniformément à l’intérieur sans quitter le matériau.
Afin de garantir que les cyanobactéries vivent le plus longtemps possible et restent efficaces, les chercheurs ont également optimisé la géométrie des structures à l’aide de procédés d’impression 3D afin d’augmenter la surface, d’améliorer la pénétration de la lumière et de favoriser le flux de nutriments.
Co-auteure principale Dalia Dranseike : « De cette manière, nous avons créé des structures qui permettent la pénétration de la lumière et distribuent passivement le fluide nutritif dans tout le corps grâce aux forces capillaires. » Grâce à cette conception, les cyanobactéries encapsulées ont vécu de manière productive pendant plus d’un an, se réjouit la chercheuse en matériaux de l’équipe de Tibbitt.
Une infrastructure comme puits de carbone
Les chercheurs considèrent leur matériau vivant comme une approche à faible consommation d’énergie et respectueuse de l’environnement, capable de fixer le CO2 de l’atmosphère et de compléter les processus chimiques existants de séquestration du carbone. « À l’avenir, nous voulons étudier comment ce matériau peut être utilisé comme revêtement pour les façades des bâtiments afin de fixer le CO2 tout au long du cycle de vie d’un bâtiment », prévoit Tibbitt.
Il reste encore un long chemin à parcourir, mais des collègues du domaine de l’architecture ont déjà repris le concept et réalisé les premières interprétations de manière expérimentale.
Deux installations à Venise et Milan
Grâce à Andrea Shin Ling, doctorante à l’ETH, les recherches fondamentales menées dans les laboratoires de l’ETH ont fait leur entrée sur la grande scène de la Biennale d’architecture de Venise. « Il a été particulièrement difficile de passer d’un processus de production à l’échelle du laboratoire à une production à l’échelle d’une pièce », explique l’architecte et bio-designer, qui participe également à cette étude.
Ling prépare son doctorat à la chaire des technologies de construction numériques du professeur Benjamin Dillenburger à l’ETH. Dans sa thèse, elle a développé une plateforme de biofabrication capable d’imprimer des structures vivantes contenant des cyanobactéries fonctionnelles à l’échelle architecturale.
Pour l’installation Picoplanktonics du pavillon canadien, l’équipe du projet a utilisé les structures imprimées comme éléments de construction vivants pour construire deux objets ressemblant à des troncs d’arbres, le plus grand mesurant environ trois mètres de haut. Grâce aux cyanobactéries, ceux-ci peuvent chacun fixer jusqu’à 18 kg de CO2 par an, soit environ autant qu’un pin de 20 ans dans la zone tempérée.
Picoplanktonics – Biennale d’architecture de Venise
« L’installation est une expérience : nous avons adapté le pavillon du Canada afin qu’il fournisse suffisamment de lumière, d’humidité et de chaleur pour que les cyanobactéries puissent se développer, puis nous observons leur comportement », affirme Ling. Il s’agit d’un engagement : l’équipe surveille et entretient l’installation sur place, tous les jours, jusqu’au 23 novembre.
À la 24e Triennale de Milan, Dafne’s Skin explore le potentiel des matériaux vivants pour les futures enveloppes de bâtiments. Sur une structure recouverte de bardeaux de bois, des micro-organismes forment une patine vert foncé qui modifie le bois au fil du temps : un signe de décomposition devient un élément de design actif qui fixe le CO2 et met en valeur l’esthétique des processus microbiens. Dafne’s Skin est une collaboration entre MAEID Studio et Dalia Dranseike. Elle fait partie de l’exposition « We the Bacteria: Notes Toward Biotic Architecture » et se déroule jusqu’au 9 novembre.
Dranseike D, Cui Y, Ling AS et al. Dual carbon sequestration with photosynthetic living materials. Nature Communications 16, 3832 (2025). doi: 10.1038/s41467-025-58761-y
