有了這種“神器”,被丟進撒哈拉也不怕沒水喝了!

科學人2018-06-13 13:47:54

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]。

  

想象一下,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!

 

01

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。秋季裡白天溫度高,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。


02

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]。


03

“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]

 

04

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”“金屬-有機框架”,可以將其想象為金屬為點,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、傳感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。

 

05

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臺移動“水庫”,就不用擔心渴死在沙漠裡了吧……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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