有了这种“神器”,被丢进撒哈拉也不怕没水喝了!

几年前,工业光魔公司推出了一部动画电影《兰戈》,开篇描绘了这样的场景:一只名叫兰戈的蜥蜴被意外丢到美国西部沙漠,在烈日骄阳下几乎瞬间脱水丧命。为了生存,他踏上了艰辛的寻水旅程……

图片来源:电影《兰戈》剧照

正如这部动画所描绘的,水是生命必不可少的成分,对于那些常年干旱的地区,水资源尤为宝贵。地球当前的水储量虽然很多,但淡水资源却很紧张,仅占全球总水量的2.7%,并且还有逐年减少的趋势。

这些淡水资源中除了江河湖泊,还有一部分以水蒸气形式存在于大气中,假设把这些水蒸气全部变成雨,降落到海洋上的话,能够使地球海平面上升2.23米[1]。 

想象一下,如果能把这些水蒸气利用起来,肯定能为干旱少雨地区的人们带来福音啊!

空气中的水蒸气如何变成水?

我们都知道雨、露等现象是自然将水蒸气变为水的过程。露水是由近地面的水蒸气冷凝而成,常常出现在秋季。秋季里白天温度高,空气中容纳了许多水蒸气,到了夜晚,地面或近地物体温度降低,过饱和的水蒸气就会在植物、物体表面凝结成露。

正版素材来源:图虫创意

由此我们可以总结出水蒸气变成液态水有两个必要条件:

1、空气中有足够多的水蒸气

2、环境可以提供足够大的温差

沙漠自身已经具备了其中一项条件——温差较大,但在水蒸气含量方面明显不足,还需要有某种在干燥空气中也能自动吸收水蒸气的材料才行。

真的有吸汽材料存在吗?

别说,就在最近,科学家真就创造了强大的“吸汽材料”并开发出在沙漠也能“吐水”的“集水神器”。

开发“集水神器”的科学家是来自美国加利福尼亚大学的Farhad Fathieh团队,他们先后研发了两种能够自发捕集空气中水蒸汽的材料,并将其组装成“集水神器”(我们暂时称之为“一代集水器”和“二代集水器”)。研究成果于6月8日发表在《Science Advances》杂志上[2]

 “集水神器效果如何?

科学家们使用这两种“神器”先后在实验室和干旱的美国亚利桑那沙漠中进行了测试。在实验室模拟环境中,一代集水器(MOF-801)每千克材料每天可产生100毫升液态水。而在沙漠中,也得到了同样的结果。在相同实验室条件下,二代(MOF-303)集水器产生了超过200毫升的水。

沙漠中收集到的水,图片来源:参考文献[2]

何方材料如此神奇?

这得从近年来新崛起的MOFs家族说起。

MOFs,中文学名叫金属-有机骨架金属-有机框架,可以将其想象为金属为点,有机物为线的立体点线结构,属于配合物大家族的一个分支。

近二十年来,MOFs以其高颜值、高比表面、高度结构可控、高程度的可修饰等特点以及其在催化、存储、分离、光电、磁性、传感等方面的应用前景瞬间俘获了众多科学家的心,使之自诞生以来得到了迅速发展。

本篇说到的二代集水器的核心部件MOF-303就是其中的一员,它是由Al3+离子与一种棒状的有机配体(3,5-吡唑二甲酸)搭建而成的、三维有序“镂空”结构。我们先来欣赏下MOF-303的高颜值“镂空”结构吧。

MOF-303的高颜值“镂空”结构,图片来源:参考文献[2]

图中淡蓝色的多面体是Al3+离子与棒状有机配体连接的“榫卯”结构。夹杂有两个绿色球的灰色棒状分子为“棒”状有机配体,在结构中起到了支撑作用,使材料中间形成四方形的孔洞。

MOF-303的高颜值外观,图片来源:参考文献[2]

除了分子结构外,其晶体外观也非常漂亮——形状规则、透明、在太阳光下晶莹闪亮。不同金属离子的MOFs还会表现出红、黄、蓝、绿等不同的颜色。

MOFs不仅颜值高,实用性能也超强,比如本文中提到的吸收水蒸气。

为什么MOFs能吸水?

这都要归功于MOFs材料内的亲水孔道,以及能够容纳水分子的自由孔体积。亲水孔道对空气中的水蒸气具有超强的吸附作用,能够精准的把空气中的水分子“捕获”进来。

Farhad Fathieh团队就是利用MOF-801和MOF-303的水蒸气吸附功能设计了这款“集水神器”的装置。

装置由两部分组成:吸汽材料MOF-801或MOF-303和“吐水装置”。

“集水神器”装置的示意图,图片来源:参考文献[2]

以MOF-303为例,在夜里,将MOF-303置于沙漠空气中吸收水蒸气。到了白天,将吸附饱和的MOF-303封装到“吐水装置”中。“吐水装置”的一端覆盖反光板、且与土壤充分接触以便传热降温。选择一个合适的角度使MOF-303得到充分照射,随温度的升高,被吸附的水蒸气会从MOF-303逸出,在温度较低的容器壁上冷凝成露,实现了“吐水”。

露珠的形成,图片来源:参考文献[2]

另外要提的是,MOFs材料具有结构可控和可修饰性的特点,这两种优点为以后材料的结构设计与性能改善提供了便利。科学家们或许由此可以开发出效率更高的吸汽材料来。

设计MOFs材料可选择的金属原料很多,像MOF-801使用的氧氯化锆(ZrOCl2)原料,价格比较昂贵,不利于商业应用。而合成MOF-303的原料是便宜易得的氯化铝(AlCl3),可大大降低成本。

除此之外,MOFs材料产率高,高纯度产品易得,可实现大规模生产,也利于市场应用。目前已有几种其他功能的MOFs材料实现了商业化生产,如MOF-5、ZIF-8等。可以说,这类材料对于改善未来干旱地区居民的饮水问题还是非常有潜力的,让我们拭目以待这些“集水神器”的登场吧!

图片来源:电影《兰戈》剧照

假如可怜的兰戈当时随身背上这么一台移动“水库”,就不用担心渴死在沙漠里了吧……(编辑:小柒)

参考文献:

  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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