有了這種「神器」，被丟進撒哈拉也不怕沒水喝了！

作者：墨墨

編輯：小柒

幾年前，工業光魔公司推出了一部動畫電影《蘭戈》，開篇描繪了這樣的場景：一隻名叫蘭戈的蜥蜴被意外丟到美國西部沙漠，在烈日驕陽下幾乎瞬間脫水喪命。為了生存，他踏上了艱辛的尋水旅程……

圖片來源：電影《蘭戈》劇照

正如這部動畫所描繪的，水是生命必不可少的成分，對於那些常年乾旱的地區，水資源尤為寶貴。地球當前的水儲量雖然很多，但淡水資源卻很緊張，僅佔全球總水量的2.7%，並且還有逐年減少的趨勢。

這些淡水資源中除了江河湖泊，還有一部分以水蒸氣形式存在於大氣中，假設把這些水蒸氣全部變成雨，降落到海洋上的話，能夠使地球海平面上升2.7千米——相當於青藏高原海拔的三分之二[1]。

想像一下，如果能把這些水蒸氣利用起來，肯定能為乾旱少雨地區的人們帶來福音啊！

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空氣中的水蒸氣如何變成水？

我們都知道雨、露等現象是自然將水蒸氣變為水的過程。露水是由近地面的水蒸氣冷凝而成，常常出現在秋季。秋季里白天溫度高，空氣中容納了許多水蒸氣，到了夜晚，地面或近地物體溫度降低，過飽和的水蒸氣就會在植物、物體表面凝結成露。

正版素材來源：圖蟲創意

由此我們可以總結出水蒸氣變成液態水有兩個必要條件：

1、空氣中有足夠多的水蒸氣

2、環境可以提供足夠大的溫差

沙漠自身已經具備了其中一項條件——溫差較大，但在水蒸氣含量方面明顯不足，還需要有某種在乾燥空氣中也能自動吸收水蒸氣的材料才行。

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真的有「吸汽材料」存在嗎？

別說，就在最近，科學家真就創造了強大的「吸汽材料」並開發出在沙漠也能「吐水」的「集水神器」。

開發「集水神器」的科學家是來自美國加利福尼亞大學的Farhad Fathieh團隊，他們先後研發了兩種能夠自發捕集空氣中水蒸汽的材料，並將其組裝成「集水神器」（我們暫時稱之為「一代集水器」和「二代集水器」）。研究成果於6月8日發表在《Science Advances》雜誌上[2]。

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「集水神器」效果如何？

科學家們使用這兩種「神器」先後在實驗室和乾旱的美國亞利桑那沙漠中進行了測試。在實驗室模擬環境中，一代集水器（MOF-801）每千克材料每天可產生100毫升液態水。而在沙漠中，也得到了同樣的結果。在相同實驗室條件下，二代（MOF-303）集水器產生了超過200毫升的水。

沙漠中收集到的水，圖片來源：參考文獻[2]

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何方材料如此神奇？

這得從近年來新崛起的MOFs家族說起。

MOFs，中文學名叫「金屬-有機骨架」或「金屬-有機框架」，可以將其想像為金屬為點，有機物為線的立體點線結構，屬於配合物大家族的一個分支。

近二十年來，MOFs以其高顏值、高比表面、高度結構可控、高程度的可修飾等特點以及其在催化、存儲、分離、光電、磁性、感測等方面的應用前景瞬間俘獲了眾多科學家的心，使之自誕生以來得到了迅速發展。

本篇說到的二代集水器的核心部件MOF-303就是其中的一員，它是由Al3+離子與一種棒狀的有機配體（3,5-吡唑二甲酸）搭建而成的、三維有序「鏤空」結構。我們先來欣賞下MOF-303的高顏值「鏤空」結構吧。

MOF-303的高顏值「鏤空」結構，圖片來源：參考文獻[2]

圖中淡藍色的多面體是Al3+離子與棒狀有機配體連接的「榫卯」結構。夾雜有兩個綠色球的灰色棒狀分子為「棒」狀有機配體，在結構中起到了支撐作用，使材料中間形成四方形的孔洞。

MOF-303的高顏值外觀，圖片來源：參考文獻[2]

除了分子結構外，其晶體外觀也非常漂亮——形狀規則、透明、在太陽光下晶瑩閃亮。不同金屬離子的MOFs還會表現出紅、黃、藍、綠等不同的顏色。

MOFs不僅顏值高，實用性能也超強，比如本文中提到的吸收水蒸氣。

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為什麼MOFs能吸水？

這都要歸功於MOFs材料內的親水孔道，以及能夠容納水分子的自由孔體積。親水孔道對空氣中的水蒸氣具有超強的吸附作用，能夠精準的把空氣中的水分子「捕獲」進來。

Farhad Fathieh團隊就是利用MOF-801和MOF-303的水蒸氣吸附功能設計了這款「集水神器」的裝置。

裝置由兩部分組成：吸汽材料MOF-801或MOF-303和「吐水裝置」。

「集水神器」裝置的示意圖，圖片來源：參考文獻[2]

以MOF-303為例，在夜裡，將MOF-303置於沙漠空氣中吸收水蒸氣。到了白天，將吸附飽和的MOF-303封裝到「吐水裝置」中。「吐水裝置」的一端覆蓋反光板、且與土壤充分接觸以便傳熱降溫。選擇一個合適的角度使MOF-303得到充分照射，隨溫度的升高，被吸附的水蒸氣會從MOF-303逸出，在溫度較低的容器壁上冷凝成露，實現了「吐水」。

露珠的形成，圖片來源：參考文獻[2]

另外要提的是，MOFs材料具有結構可控和可修飾性的特點，這兩種優點為以後材料的結構設計與性能改善提供了便利。科學家們或許由此可以開發出效率更高的吸汽材料來。

設計MOFs材料可選擇的金屬原料很多，像MOF-801使用的氧氯化鋯（ZrOCl2）原料，價格比較昂貴，不利於商業應用。而合成MOF-303的原料是便宜易得的氯化鋁（AlCl3），可大大降低成本。

除此之外，MOFs材料產率高，高純度產品易得，可實現大規模生產，也利於市場應用。目前已有幾種其他功能的MOFs材料實現了商業化生產，如MOF-5、ZIF-8等。可以說，這類材料對於改善未來乾旱地區居民的飲水問題還是非常有潛力的，讓我們拭目以待這些「集水神器」的登場吧！

假如可憐的蘭戈當時隨身背上這麼一台移動「水庫」，就不用擔心渴死在沙漠里了吧……圖片來源：電影《蘭戈》劇照

參考文獻：

[1] P. H. Gleick, Water in Crisis: A Guideto the World』s Fresh Water Resources (Oxford Univ. Press, 1993)

[2] F. Fathieh, M. J. Kalmutzki, E. A. Kapustin, P. J. Waller, J. Yang, O. M.Yaghi, Practical water production from desert air. ScienceAdvances, 2018, DOI: 10.1126/sciadv.aat3198

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本文來自果殼網

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