الطباعة ثلاثية الأبعاد بالبيوسمنت: تصغير وتوسيع هياكل معدنية حية

البناء بمساعدة الميكروبات

جعل الخرسانة مدننا الحديثة ممكنة، لكنها تأتي بتكلفة مناخية كبيرة لأن صناعة الأسمنت تطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. تستكشف هذه الدراسة نوعًا مختلفًا من «الإسمنت» يستخدم بكتيريا حية لتنمية معادن شبيهة بالحجر في درجة حرارة الغرفة، وتوضح كيف يمكن تشكيل هذه المادة الحية عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى أشكال مفيدة معماريًا.

من طباعة الخرسانة إلى الحجر الحي

في السنوات الأخيرة، بدأت الروبوتات والطابعات الثلاثية الأبعاد في بناء مبانٍ عن طريق بث طبقات من الخرسانة، مما أتاح للمهندسين المعماريين خلق أشكال معقدة دون قوالب تقليدية. ومع ذلك، لا تزال هذه الأنظمة تعتمد على الأسمنت، وهو مصدر رئيسي لانبعاثات CO₂ عالمياً، وغالبًا ما تعاني العناصر المطبوعة من روابط ضعيفة بين الطبقات. يتساءل المؤلفون عما إذا كان بالإمكان الحفاظ على الحرية الهندسية والأتمتة للطباعة ثلاثية الأبعاد مع استبدال الأسمنت بمادة رابطة معدنية منخفضة الطاقة تُنمى بواسطة الميكروبات. يبنون على عملية تحفز فيها أنواع بكتيرية محددة تشكّل كربونات الكالسيوم، نفس المعدن الموجود في الحجر الجيري وأصداف البحر، لربط حبيبات الرمل معًا.

«حبر» حي قابل للطباعة

لجعل هذه الفكرة عملية، صمم الفريق «حبرًا حيويًا» قابلاً للطباعة يتصرف مثل معجون كثيف لكنه يحافظ أيضاً على بقاء البكتيريا. يجمع الحبر بين حبيبات الرمل للهيكل، وجل ناعم مصنوع من بوليمرات طبيعية شائعة لربط المكونات، وجسيمات رفيعة شبيهة بالصفائح لضبط انسيابيته أثناء الطباعة. تُظهر الميكروسكوبات أن البكتيريا تبقى موزعة بشكل متساوٍ ومحاصرة داخل الجل عندما تُنقع القطع المطبوعة لاحقًا في حمام غني بالمعادن. من خلال تعديل الخليط، يمكن للباحثين التحكم في سهولة خروج الحبر من الفوهة ومدى حفاظه على الشكل بعد الترسيب، وهو أمر حاسم لبناء أشكال طويلة أو معقدة دون هبوط.

ترك نمو المعادن في الأماكن المناسبة

بعد الطباعة، تُنقع الأجسام في محلول يغذي البكتيريا ويزوّد بالمكونات اللازمة لنمو المعادن. تحوّل الميكروبات هذه المكونات إلى كربونات كالسيوم صلبة تتشكل أساسًا على الأسطح وبالقرب من المسام المفتوحة، مما يزيد تدريجيًا من صلابة المادة. تظهر الاختبارات على عينات أسطوانية بسيطة أن وجود البكتيريا يزيد الصلابة بشكل كبير مقارنة بالعينات غير الحية، على الرغم من أن تحسّن المقاومة يكون متواضعًا عندما يبقى الجزء الداخلي غير مُمعدن إلى حد كبير. من خلال دراسة كيفية تغير محتوى المعدن مع العمق، يكتشف الفريق أن النمو يقتصر بمدى سهولة تحرك المواد المذابة عبر المادة. تقود هذه الرؤية إلى تصميم خيوط مطبوعة بسمك بضعة مليمترات فقط وإدخال مسامية متعمّدة حتى يتسنى لمحلول تكوين المعادن الوصول إلى مزيد من الأسطح الداخلية.

شبكات أقوى وروابط طبقات أفضل

باستخدام هذه قواعد التصميم، يطبع الباحثون شبكات على شكل مكعبات بخيوط متباعدة أو متقاربة، ثم يقارنون نسخًا مع بكتيريا نشطة وبدونها. تتراكم المعادن بكميات أكبر في الشبكات المتباعدة ذات الفراغات المفتوحة، وتوزع الشقوق بشكل أكثر انتظامًا، وتصبح أقوى وأكثر صلابة بكثير من نظيراتها غير الحية في اختبارات الانضغاط. بالمقابل، تطوّر الشبكات الكثيفة قشرة خارجية صلبة لكن قلبًا داخليًا ضعيفًا، مما يحد من أدائها. يفحص الفريق أيضًا واحدة من أضعف نقاط الطباعة الطبقية: الالتصاق الضعيف بين الخيوط المتعاقبة. في العينات المطبوعة العادية تنفصل الطبقات بسهولة على طول الحدود. أما في العينات الحية، فتملأ بلورات المعدن التي تنمو حديثًا الفجوات الصغيرة بين الطبقات وتعمل كجسور حجرية. تكشف اختبارات الانحناء أن هذه الجسور تعزز قدرة المقاومة للكسر بأكثر من درجة مرتبة من الحجم وتتسبب في فشل القطع عبر الطبقات بدلًا من الانفصال عليها.

من كتل المخبر إلى قطع معمارية

على الرغم من أن المادة الحالية ليست قوية بعد لاستبدال الخرسانة الهيكلية، إلا أن أدائها يقارن ببعض المواد الترابية والسيراميكية الخفيفة المستخدمة في مكونات غير حاملة للأحمال. تعمل العملية في درجة حرارة الغرفة ويمكنها إنتاج عناصر مسامية وخفيفة الوزن مثل ألواح الواجهات، وشاشات التظليل، وقطع المناظر الطبيعية حيث يكون تدفق الهواء والضوء وإمكانية احتضان النباتات أو الكائنات الصغيرة ميزة بدلًا من عيب. كعرض عملي، يطبع الفريق عنصرًا منحنيًا تقريبًا بحجم مقعد صغير ويُمعدّنه، مبرزين أن الطريقة قادرة على التعامل مع أجسام بأبعاد على مستوى عشرات السنتيمترات مع الحفاظ على الشكل والتفاصيل الداخلية.

الواعد والتحديات العملية المقبلة

تشير الدراسة إلى مستقبل يمكن للبنائين فيه «نمو» مواد معدنية في المكان باستخدام بكتيريا وهندسة هندسية مبرمجة بعناية، مما قد يخفض الطاقة المجسدة لمكونات المباني. وفي الوقت نفسه، سيتطلب توسيع نطاق هذا النهج إدارة استهلاك السوائل، وضمان نمو معدني متساوٍ في الأجزاء الأكثر سمكًا، والتعامل بمسؤولية مع الأمونيا، وهي ناتج ثانوي للعملية الميكروبية يمكن أن يضر البيئة إذا أُطلق دون معالجة. إذا أمكن التغلب على هذه العقبات الهندسية والبيئية، قد توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد بالبيوسمنت لمعماريين عائلة جديدة من المواد المعدنية الحية والقابلة للبرمجة التي تدمج التصنيع الرقمي مع النمو البيولوجي.

الاستشهاد: Antorveza Paez, K., Kindler, R.O., Terzis, D. et al. 3D biocement printing: scaling up living mineral structures. npj Mater. Sustain. 4, 20 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-026-00110-1

الكلمات المفتاحية: البيوسمنت, الطباعة ثلاثية الأبعاد, المواد الميكروبية, البناء المستدام, كربونات الكالسيوم