來(lái)自空氣的水

曾高遠(yuǎn)

戴著護(hù)目鏡的三個(gè)人正專注地盯著一個(gè)透明塑料盒。盒子里逐漸充滿水霧，盒壁上開(kāi)始形成小水珠。小水珠慢慢變大，終于滴落到盒子下方的一個(gè)魚(yú)缸狀容器底部，匯集成一個(gè)小水灘。奧馬爾·亞吉咧開(kāi)嘴笑了，開(kāi)始與同事們相互祝賀。

看似平常的這一幕發(fā)生在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校。這一刻有可能作為科學(xué)家扭轉(zhuǎn)缺水局勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)而被載入史冊(cè)。“看到析出的這些小水珠是我生命中最神奇的經(jīng)歷之一。這意味著我們可以在沒(méi)有水的地方取到水了?！眮喖f(shuō)。

神奇的分子模型

上面這一幕已是幾年前的事?，F(xiàn)在的亞吉已超越了水滴和小水灘實(shí)驗(yàn)階段，走出實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)。在最近的實(shí)驗(yàn)中，他甚至從像沙漠一樣干燥的空氣中析出了大量的水。秘密是什么？是使用了一種基于他20年前研究過(guò)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物——一種特殊的合成晶體。

這項(xiàng)技術(shù)的潛在價(jià)值非常巨大。據(jù)聯(lián)合國(guó)調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，到2025年，生活在水資源匱乏和絕對(duì)缺水地區(qū)的人數(shù)將從2014年的12億增加到18億。隨著全球氣溫升高和人口增長(zhǎng)，即使是那些有資金、有水源并有水循環(huán)和海水淡化技術(shù)的地方，遭受大旱的風(fēng)險(xiǎn)也在增加。例如，去年南非開(kāi)普敦勉強(qiáng)避開(kāi)了“零日”（水流量低到居民只能獲得僅夠生存的供應(yīng)量）。

亞吉深知缺水的苦惱。亞吉是1965年出生在約旦的巴勒斯坦人，是家中十個(gè)孩子中的第六個(gè)。亞吉和兄弟姐妹連同家里的牛，住在一所沒(méi)有電的房子里。每周管道輸送水的時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí)。亞吉有時(shí)不得不在黎明時(shí)起床打開(kāi)閥門(mén)，以確保他們的水箱能裝上水。水是那樣珍貴，以至于對(duì)每一滴水的使用他們都必須精打細(xì)算。

亞吉的父親把作為結(jié)婚禮物送給妻子的黃金珠寶賣(mài)掉了，用這筆資金開(kāi)了一家肉店。肉店的收入可以讓亞吉在一所私立學(xué)校上學(xué)。在學(xué)校里，亞吉對(duì)化學(xué)的熱愛(ài)在10歲時(shí)被激發(fā)。上學(xué)期間，一次午餐時(shí)間他偷偷溜進(jìn)了本應(yīng)關(guān)閉的圖書(shū)館。在一本書(shū)中，他看到了陌生的由棍子連接著大小不同小球的模型圖，后來(lái)他知道那是分子模型。他感覺(jué)自己看到的模型可以解釋他周?chē)囊磺?，感覺(jué)自己發(fā)現(xiàn)了某種隱藏的真相。身處自己本不該在的地方，使得他的這種感覺(jué)更加強(qiáng)烈。他說(shuō)：“就像遇見(jiàn)了一個(gè)秘密的愛(ài)人?！?/p>

在亞吉15歲時(shí)，雖然他英語(yǔ)不好，也不想離開(kāi)家鄉(xiāng)，但他的父親還是讓他和哥哥一起去了美國(guó)。亞吉來(lái)到紐約，成了一個(gè)中學(xué)生。他表現(xiàn)出色，后來(lái)成為亞利桑那州立大學(xué)的化學(xué)教授助理。在那里，他開(kāi)始尋找新方法將那些小球和棒子連接起來(lái)。制造出以前未知的物質(zhì)。那時(shí)他還未曾想到，有一天它們可以幫助人們解渴。

小球和棒子連接起來(lái)的分子模型讓亞吉非常著迷。

化學(xué)家創(chuàng)造的新材料

20世紀(jì)90年代初，化學(xué)家已經(jīng)在制造以碳為基礎(chǔ)的有機(jī)化合物方面取得重大進(jìn)展。但在利用元素周期表中的其他元素合成無(wú)機(jī)化合物方面，化學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的控制方法很有限。通常都是在燒瓶里混合化學(xué)物質(zhì)，看看發(fā)生了什么變化。這樣的技術(shù)常被批評(píng)家描述為“搖動(dòng)并烘烤”“混合并等待”以及“加熱并拍打”。

很多學(xué)者在試圖改進(jìn)這種研究方法。澳大利亞墨爾本大學(xué)的化學(xué)家理查德·羅布森就是其中一位。從1989年起。羅布森為世界發(fā)明了設(shè)計(jì)和制造配位聚合物的新方法。配位聚合物是由原子或離子（通常是金屬）組成的擴(kuò)展陣列，這些原子或離子由被稱為配體的長(zhǎng)分子結(jié)合在一起。通過(guò)改變金屬類(lèi)型，羅布森可以控制與之結(jié)合的配體數(shù)量。例如，一種結(jié)合了兩個(gè)配體的金屬可產(chǎn)生一種鏈狀聚合物，而結(jié)合六個(gè)配體的金屬則可形成立方晶格。

不久，化學(xué)家創(chuàng)造出了一系列新材料，其中每一種都具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。因?yàn)樾虏牧峡杀３钟行虻慕Y(jié)晶形式，所以很容易研究。唯一問(wèn)題是羅布森的聚合物容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因而不穩(wěn)定，還不能立即投入使用。

超級(jí)海綿

20世紀(jì)90年代中期，亞吉和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始制造某類(lèi)配位聚合物。這類(lèi)聚合物是由帶負(fù)電荷的配體連接一簇而非單個(gè)的金屬原子結(jié)合而成的。這類(lèi)材料被稱為“金屬有機(jī)骨架化合物（MOF）”，這種化合物的鍵比以前的配位聚合物更強(qiáng)，因而具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。

雖然這個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)并非由亞吉單獨(dú)研究，其他科學(xué)家也參與了關(guān)于金屬有機(jī)骨架化合物的早期工作，但全世界的化學(xué)家都注意到了亞吉在1999年公布的成功合成了一種鋅基聚合物MOF-5的消息。這種材料可在高達(dá)300℃的溫度下保持穩(wěn)定，而更不可思議的是，這種材料的空隙使其內(nèi)部表面積達(dá)到每克2900平方米，幾乎相當(dāng)于半個(gè)足球場(chǎng)。氣體分子會(huì)在這種材料內(nèi)表面積聚并形成薄膜。由于MOF-5的高比表面積，一個(gè)裝有這種材料的容器在同樣壓力下比一個(gè)空容器容納的氣體還多。

這種超級(jí)海綿般的吸附性能使這種材料有了廣泛用途，比如儲(chǔ)存由發(fā)電機(jī)或汽油動(dòng)力車(chē)產(chǎn)生的二氧化碳。在過(guò)去20年里，至少有2萬(wàn)種不同的MOF材料被制造出來(lái)。

但MOF材料的潛力是慢慢顯現(xiàn)出來(lái)的。預(yù)見(jiàn)到市場(chǎng)對(duì)綠色燃料的需求會(huì)增長(zhǎng)。德國(guó)化工巨頭巴斯夫在亞吉的幫助下開(kāi)發(fā)了一種新型汽車(chē)。這種汽車(chē)的天然氣儲(chǔ)罐使用了金屬有機(jī)骨架化合物。按計(jì)劃，這種新車(chē)應(yīng)當(dāng)于2015年推出。但由于當(dāng)時(shí)汽油價(jià)格暴跌，新車(chē)經(jīng)濟(jì)可行性受到影響，計(jì)劃最后被擱置。

MOF材料結(jié)構(gòu)模型

MOF材料開(kāi)始商業(yè)應(yīng)用是在2016年。它首先被用于制造儲(chǔ)存電子工業(yè)中有毒氣體的氣瓶和釋放抑制氣體阻止乙烯生效的香囊。乙烯是水果和蔬菜釋放的催熟激素，抑制它生效可起到保鮮效果。但金屬有機(jī)骨架化合物更廣泛的應(yīng)用還有待開(kāi)發(fā)。

最終可能改變這一現(xiàn)狀的是：MOF材料不僅是好的海綿，還是非常有選擇性的海綿。它內(nèi)部的氣孔具有特定尺寸和形狀，使其非常適合吸附某些適合這些氣孔的氣體，而排斥那些不適合的氣體。早在2013年，亞吉在研究如何用MOF將二氧化碳與水分離時(shí)注意到，其即使在低濕度環(huán)境下也可以快速吸收水蒸氣，并可以在加熱后釋放水蒸氣。他馬上就想到：哇，這個(gè)可以在沙漠里用！

當(dāng)亞吉繼續(xù)研究20種不同的MOF材料吸水性能時(shí)，他發(fā)現(xiàn)基于鋯的MOF-801的性能特別好。它內(nèi)部的氣孔大小和形狀都很完美，特別適合讓水進(jìn)出。亞吉后來(lái)與麻省理工學(xué)院的工程師一起開(kāi)發(fā)了一個(gè)集水器原型機(jī)。這臺(tái)集水器只有手掌大小，由一片銅片和封裝它的塑料盒組成。銅片上有被壓入的MOF-801晶體。

魔術(shù)盒（集水盒）示意圖

在夜間，水蒸氣從冷空氣中被吸入塑料盒內(nèi)的金屬有機(jī)骨架化合物（MOF）中。

在日間，盒子被封閉起來(lái)。陽(yáng)光帶來(lái)的熱量會(huì)促使水分逃逸，然后凝結(jié)在盒壁上，并滴下去匯集在底部。

夢(mèng)想成真

需要收集水時(shí)，只需在夜間把這個(gè)盒子打開(kāi)，讓MOF把空氣中的水吸入氣孔。早上再關(guān)上盒蓋，讓太陽(yáng)光加熱MOF材料和被吸附在里面的水，以促使水釋放出來(lái)，并凝結(jié)在盒壁上（見(jiàn)示意圖）。正是在這個(gè)裝置中，亞吉通過(guò)他的護(hù)目鏡看到了那些不可思議的水滴。2017年，亞吉團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，這種裝置可從相對(duì)濕度為20%的空氣中收集水分，而這樣的濕度與許多沙漠的空氣濕度情況相似。他們又制造了一個(gè)更大的裝置。在實(shí)驗(yàn)室里，每千克MOF材料每天可收集140毫升水。

所有這些都證明了這項(xiàng)技術(shù)的有效性。但它真的能緩解日益嚴(yán)峻的水資源短缺嗎？還有其他從空氣中提取水的方法，比如簡(jiǎn)單的冷凝：寒冷表面會(huì)冷卻它周?chē)目諝猓仁顾魵庑纬伤?。但這個(gè)方法耗電量很大，就像是一臺(tái)開(kāi)著門(mén)的冰箱。即便如此，一些公司已開(kāi)始銷(xiāo)售這種設(shè)備。

亞吉發(fā)明的設(shè)備還有另一個(gè)問(wèn)題。它們是以鋯為基礎(chǔ)的。這種金屬能耐腐蝕和高溫，但價(jià)格昂貴，大約每千克150美元?？上攵?，用這樣的MOF材料制成的設(shè)備生產(chǎn)的每一杯水都將是昂貴的。

亞吉最近成立了一家集水公司。他知道，要幫助那些面臨缺水威脅的人用上家用集水器，必須考慮成本問(wèn)題。為此，他一直在測(cè)試MOF-303。這種材料以鋁為基礎(chǔ)，而鋁是一種便宜得多的金屬，用其生產(chǎn)出的集水器成本會(huì)大大降低。他在2018年報(bào)告說(shuō)，使用這種材料制成的集水器，每天每千克MOF-303可收集230毫升水。如果把太陽(yáng)能電池板連接到這個(gè)裝置上，在24小時(shí)內(nèi)用電能加熱和冷卻多次，而不是僅靠晝夜溫差變化，集水量可超過(guò)2升。

這些改進(jìn)是否能讓亞吉的夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)？一些專家認(rèn)為，亞吉離破解難題已經(jīng)不遠(yuǎn)。在幾乎沒(méi)有水的地方，能從空氣中取水是非常了不起的。雖然擴(kuò)大規(guī)模應(yīng)用可能將面臨挑戰(zhàn)，但這并不是難以逾越的障礙。如果擴(kuò)大規(guī)模成功實(shí)現(xiàn)，那么將使許許多多面臨缺水威脅的人獲得清潔水。

冷凝站

托吉亞村坐落在危地馬拉的庫(kù)庫(kù)馬塔內(nèi)斯山脈。在該村兩側(cè)有35張網(wǎng)高掛空中，其中最大的網(wǎng)面積相當(dāng)于兩個(gè)停車(chē)位。在這里，每張網(wǎng)每天能為村民提供多達(dá)200升淡水。每天早晨，當(dāng)霧在高地上翻滾時(shí)，水珠會(huì)被網(wǎng)格捕捉，然后滑落，逐漸滴入水箱中。

加拿大一機(jī)構(gòu)早在20年前就開(kāi)始嘗試用捕霧網(wǎng)為那些與世隔絕又缺水的老社區(qū)提供水源。研究發(fā)現(xiàn)，這種技術(shù)即使在霧較少的地方也可行。有科學(xué)家相信，霧的收集很快就將在更廣泛的區(qū)域成為可能。

捕霧網(wǎng)的設(shè)計(jì)很重要。網(wǎng)眼太大，霧會(huì)從中穿過(guò)。網(wǎng)眼太細(xì)，水滴會(huì)停在網(wǎng)線上，不能順利滑下網(wǎng)。科學(xué)家優(yōu)化了捕霧網(wǎng)設(shè)計(jì)。他們的靈感來(lái)自美國(guó)加州的紅杉樹(shù)。這種紅杉樹(shù)能從沿海的霧氣中收集大量水分。這些霧氣會(huì)凝結(jié)在針狀樹(shù)葉上，然后滴落到地面?？茖W(xué)家模仿紅杉樹(shù)針葉平行排列的捕霧器設(shè)計(jì)，放棄了傳統(tǒng)網(wǎng)的橫向交叉纖維，將網(wǎng)設(shè)計(jì)成類(lèi)似豎琴的模樣。一張安裝在美國(guó)弗吉尼亞州農(nóng)場(chǎng)上的這種網(wǎng)的集水效率是傳統(tǒng)網(wǎng)的3倍。

即使在內(nèi)陸地區(qū)，這樣的產(chǎn)水量也能使捕霧產(chǎn)生實(shí)用價(jià)值。實(shí)際上有很多地區(qū)至少會(huì)有晨霧，而這樣的“豎琴”網(wǎng)可建造得更巨大以提高效率。即使在沒(méi)有霧的地方，空氣中也有水蒸氣。只要使用合適的工具，水蒸氣就能被變成液態(tài)水。美國(guó)一家水公司承諾：將使用被稱為“水面板”的大型太陽(yáng)能發(fā)電冷凝器來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。即使在干旱條件下，兩臺(tái)冷凝器每天也能從空氣中吸取10升左右的水。

現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)面臨的問(wèn)題是高能耗。收集1升水的耗能可以泡40杯茶。但這項(xiàng)技術(shù)不需要建設(shè)將水從一個(gè)地方輸送到另一個(gè)地方的基礎(chǔ)設(shè)施。新技術(shù)集水系統(tǒng)也很容易擴(kuò)展：要獲得更多水，只需添加更多“水面板”。

如果愿意，你甚至可以把同事們出汗散發(fā)出來(lái)的水蒸氣都利用起來(lái)。2018年年底，一家公司推出了英國(guó)第一臺(tái)辦公室冷水機(jī)，它可以直接從空氣中冷凝水。該公司計(jì)劃出售一個(gè)足夠大的冷凝器，用它為一個(gè)小鎮(zhèn)服務(wù)。