有了这种“神器”，被丢进撒哈拉也不怕没水喝了

原标题:有了这种“神器”，被丢进撒哈拉也不怕没水喝了

烈日炎炎的夏日，补充水分几乎成了每个人的本能。想象一下，要是你一天不喝水还在太阳底下暴晒会是什么情景？——虚脱、晕倒、中暑、甚至休克？这只叫兰戈的蜥蜴就被意外丢到美国西部的沙漠，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”神奇在哪里？

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”或“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。

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]

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]

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……

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

有“收水神器”也没用，你又不爱喝水~

本文来自果壳网，谢绝转载

如有需要请联系sns@guokr.com

（欢迎转发到朋友圈~）

ID：Guokr42

整天不知道在科普啥的果壳网

建议你关注一下

对，这是一个二维码

给果壳发送【二维码】告诉你原理

点个赞吧~