乾旱地區快速「空中取水」，這不是魔術，原型機已驗證有效！

去年《科學進展》的一份報告指出，有 40 億人口每年中至少有一個月面臨著「嚴重的水資源短缺」。這意味著，缺水這一問題影響著全球三分之二的人口。由於氣候變化速度加快，水資源的短缺和其帶來的衝突問題只會在全球的大部分地區變得越來越常見。

最近，科學家發明了一個可以利用太陽能從乾燥空氣中「吸取」出水分的設備。他們希望，這一設備在經過進一步改進後，最終能為地球上一些最貧窮和最乾燥的地區提供飲用水。

這一設備採用了一種全新的材料，這種材料可以把大量的水吸收在它的孔洞中。根據一篇 4 月 13 日發表在《科學》雜誌上的研究所稱，1 千克這種材料每 12 小時可以在濕度為20%的空氣（典型的乾燥地區空氣濕度）中捕獲到到 2.8 升的水。

在麻省理工學院校園內進行屋頂測試的原型機

麻省理工學院的一個研究團隊在加州大學伯克利分校 Omar Yaghi 教授實驗室的幫助下發明了這一技術。其中的關鍵部分是一種被稱為「金屬-有機骨架」（metal-organic framework, MOF）的多孔合成材料。

Omar Yaghi教授

Yaghi教授發明的這種材料由有機分子和金屬原子「縫合」而成，具有非常獨特的性能。這種材料的孔洞的大小和化學特徵可以實現定製，以捕捉特定類型的分子，或讓其通過。

這種材料還有著很大的比表面積（指單位質量物質所具有的總面積），每克材料的表面積差不多有一個足球場那麼大，這使得它能與大量的顆粒相結合。

在研究中，科學家們採用了早前合成的可有效捕捉水分子的材料。材料的原型可以在夜間或者陰涼處與水結合。但在白天，陽光會給材料提供能量，從而把水分子轉化為水蒸氣。

隨著時間推移設備冷凝器的圖像（右側從上到下），表明一天中水滴量的穩定增長

接著，水蒸氣會逸出材料的孔洞，並進入相鄰的丙烯酸封套中。容器底部的冷凝器把水滴收集起來，並輸送到下方的容器中。這樣就能獲得純凈的水了。

這個過程完全是自發進行的，不需要使用太陽能板、電池或者額外的能源。而以往的水富集技術只能在霧天，或者其他濕度高的情況下使用。

「目前除了大量使用能源，並沒有其他好的方法來收集水，」Yaghi教授表示。「在低濕度空氣條件下收集水一直是一項巨大的挑戰，我們目前製造的原型機可以稱得上是一項重大突破！」 而且，隨後在麻省理工學院校園內進行的屋頂實裝測試中，也進一步確定了原型機在真實環境下的有效性。

其實早在 20 年前，Yaghi教授就發明了「金屬-有機骨架」（MOF），他將鎂、鋁等金屬與有機分子結合在一起，構建出了適合儲存氣體和液體的剛性多孔結構。此後，來自全球的研究人員共創造了超過 2 萬種不同的MOF，有些用來存儲化學物質，比如氫氣或甲烷。

其他類型的MOF能夠從煙道氣中捕獲二氧化碳，催化吸附的化學物質，或在加工廠中分離石化產品。

金屬-有機骨架示意圖及其晶體的電鏡掃描圖像

2014年，Yaghi教授和他在加州伯克利的同事們合成了一種新的MOF——將鋯金屬和己二酸進行結合。同時，他找到了麻省理工學院的機械工程師 Evelyn Wang，建議雙方一道展開將MOF轉換為集水系統的聯合研發。

「我們做出來設備不僅僅是一套放在那就能自己收集水的簡單裝置，而是為更有效的篩選MOF提供了實驗及理論基礎。」Yaghi教授表示。「我們將在成千上萬種MOF中選擇出最高效的，而且收集的水量也會得以提升，下一步需要解決的只是工程問題了。」

當 Yaghi 教授和他的團隊正在努力改善他們的 MOF 時，麻省理工學院的Evelyn Wang則正從工程角度出發來改進系統，使其能收集更多的水。

集水設備工作原理

Evelyn表示：「為了不停的收集水，你必須設計一套可以在夜間吸收濕氣，並在白天進行轉化的系統。此外，還需要整合太陽能電池來提供能源保障。」

「我們想證明一件事：如果你被困於沙漠中的某個地方，你完全可以依靠這套設備生存下來。一個人每天需要攝入約一可樂罐的水份，而這套系統在一小時內就可以收集到這麼多水。」Evelyn對目前的工程進展感到非常興奮。

儘管研究人員還需要繼續完善這一技術，但目前離一個完全可用的產品已經不遠了。目前，這類型的 MOF 材料已經由德國化工巨頭巴斯夫公司開始批量生產，其價格也會越來越便宜。

Yaghi教授表示，這一技術完全可以和太陽能板或者其他工業、農業水增產設備相媲美。但最理想的應用場景將是：未來這些設備可以成為世界上貧窮地區的家用設備。這樣這些家庭就可以穩定地生產他們所需要的水，而不是長途跋涉到公用水井中取水了。