曾高遠

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

看似平常的這一幕發(fā)生在美國加州大學(xué)伯克利分校。這一刻有可能作為科學(xué)家扭轉(zhuǎn)缺水局勢的轉(zhuǎn)折點而被載入史冊?！翱吹轿龀龅倪@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有水的地方取到水了。”亞吉說。

神奇的分子模型

上面這一幕已是幾年前的事。現(xiàn)在的亞吉已超越了水滴和小水灘實驗階段，走出實驗室開始了擴大實驗。在最近的實驗中，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年前研究過的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物——一種特殊的合成晶體。

這項技術(shù)的潛在價值非常巨大。據(jù)聯(lián)合國調(diào)查數(shù)據(jù)預(yù)測，到2025年，生活在水資源匱乏和絕對缺水地區(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，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)險也在增加。例如，去年南非開普敦勉強避開了“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，是家中十個孩子中的第六個。亞吉和兄弟姐妹連同家里的牛，住在一所沒有電的房子里。每周管道輸送水的時間只有幾個小時。亞吉有時不得不在黎明時起床打開閥門，以確保他們的水箱能裝上水。水是那樣珍貴，以至于對每一滴水的使用他們都必須精打細算。

亞吉的父親把作為結(jié)婚禮物送給妻子的黃金珠寶賣掉了，用這筆資金開了一家肉店。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，亞吉對化學(xué)的熱愛在10歲時被激發(fā)。上學(xué)期間，一次午餐時間他偷偷溜進了本應(yīng)關(guān)閉的圖書館。在一本書中，他看到了陌生的由棍子連接著大小不同小球的模型圖，后來他知道那是分子模型。他感覺自己看到的模型可以解釋他周圍的一切，感覺自己發(fā)現(xiàn)了某種隱藏的真相。身處自己本不該在的地方，使得他的這種感覺更加強烈。他說：“就像遇見了一個秘密的愛人?！?/p>

在亞吉15歲時，雖然他英語不好，也不想離開家鄉(xiāng)，但他的父親還是讓他和哥哥一起去了美國。亞吉來到紐約，成了一個中學(xué)生。他表現(xiàn)出色，后來成為亞利桑那州立大學(xué)的化學(xué)教授助理。在那里，他開始尋找新方法將那些小球和棒子連接起來。制造出以前未知的物質(zhì)。那時他還未曾想到，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90年代初，化學(xué)家已經(jīng)在制造以碳為基礎(chǔ)的有機化合物方面取得重大進展。但在利用元素周期表中的其他元素合成無機化合物方面，化學(xué)家對實驗產(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)常被批評家描述為“搖動并烘烤”“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）組成的擴展陣列，這些原子或離子由被稱為配體的長分子結(jié)合在一起。通過改變金屬類型，羅布森可以控制與之結(jié)合的配體數(shù)量。例如，一種結(jié)合了兩個配體的金屬可產(chǎn)生一種鏈狀聚合物，而結(jié)合六個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)。因為新材料可保持有序的結(jié)晶形式，所以很容易研究。唯一問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。

超級海綿

20世紀90年代中期，亞吉和他的團隊開始制造某類配位聚合物。這類聚合物是由帶負電荷的配體連接一簇而非單個的金屬原子結(jié)合而成的。這類材料被稱為“金屬有機骨架化合物（MOF）”，這種化合物的鍵比以前的配位聚合物更強，因而具有更強的穩(wěn)定性。

雖然這個領(lǐng)域的技術(shù)并非由亞吉單獨研究，其他科學(xué)家也參與了關(guān)于金屬有機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)部表面積達到每克2900平方米，幾乎相當(dāng)于半個足球場。氣體分子會在這種材料內(nèi)表面積聚并形成薄膜。由于MOF-5的高比表面積，一個裝有這種材料的容器在同樣壓力下比一個空容器容納的氣體還多。

這種超級海綿般的吸附性能使這種材料有了廣泛用途，比如儲存由發(fā)電機或汽油動力車產(chǎn)生的二氧化碳。在過去20年里，至少有2萬種不同的MOF材料被制造出來。

但MOF材料的潛力是慢慢顯現(xiàn)出來的。預(yù)見到市場對綠色燃料的需求會增長。德國化工巨頭巴斯夫在亞吉的幫助下開發(fā)了一種新型汽車。這種汽車的天然氣儲罐使用了金屬有機骨架化合物。按計劃，這種新車應(yīng)當(dāng)于2015年推出。但由于當(dāng)時汽油價格暴跌，新車經(jīng)濟可行性受到影響，計劃最后被擱置。

MOF材料結(jié)構(gòu)模型

MOF材料開始商業(yè)應(yīng)用是在2016年。它首先被用于制造儲存電子工業(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。但金屬有機骨架化合物更廣泛的應(yīng)用還有待開發(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，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，特別適合讓水進出。亞吉后來與麻省理工學(xué)院的工程師一起開發(fā)了一個集水器原型機。這臺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)的金屬有機骨架化合物（MOF）中。

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

夢想成真

需要收集水時，只需在夜間把這個盒子打開，讓MOF把空氣中的水吸入氣孔。早上再關(guān)上盒蓋，讓太陽光加熱MOF材料和被吸附在里面的水，以促使水釋放出來，并凝結(jié)在盒壁上（見示意圖）。正是在這個裝置中，亞吉通過他的護目鏡看到了那些不可思議的水滴。2017年，亞吉團隊研究發(fā)現(xiàn)，這種裝置可從相對濕度為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。他們又制造了一個更大的裝置。在實驗室里，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技術(shù)的有效性。但它真的能緩解日益嚴峻的水資源短缺嗎？還有其他從空氣中提取水的方法，比如簡單的冷凝：寒冷表面會冷卻它周圍的空氣，迫使水蒸氣形成水滴。但這個方法耗電量很大，就像是一臺開著門的冰箱。即便如此，一些公司已開始銷售這種設(shè)備。

亞吉發(fā)明的設(shè)備還有另一個問題。它們是以鋯為基礎(chǔ)的。這種金屬能耐腐蝕和高溫，但價格昂貴，大約每千克150美元?？上攵眠@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，必須考慮成本問題。為此，他一直在測試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)出的集水器成本會大大降低。他在2018年報告說，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。如果把太陽能電池板連接到這個裝置上，在24小時內(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2升。

這些改進是否能讓亞吉的夢想變成現(xiàn)實？一些專家認為，亞吉離破解難題已經(jīng)不遠。在幾乎沒有水的地方，能從空氣中取水是非常了不起的。雖然擴大規(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。如果擴大規(guī)模成功實現(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庫馬塔內(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)于兩個停車位。在這里，每張網(wǎng)每天能為村民提供多達200升淡水。每天早晨，當(dāng)霧在高地上翻滾時，水珠會被網(wǎng)格捕捉，然后滑落，逐漸滴入水箱中。

加拿大一機構(gòu)早在20年前就開始嘗試用捕霧網(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)計很重要。網(wǎng)眼太大，霧會從中穿過。網(wǎng)眼太細，水滴會停在網(wǎng)線上，不能順利滑下網(wǎng)?？茖W(xué)家優(yōu)化了捕霧網(wǎng)設(shè)計。他們的靈感來自美國加州的紅杉樹。這種紅杉樹能從沿海的霧氣中收集大量水分。這些霧氣會凝結(jié)在針狀樹葉上，然后滴落到地面。科學(xué)家模仿紅杉樹針葉平行排列的捕霧器設(shè)計，放棄了傳統(tǒng)網(wǎng)的橫向交叉纖維，將網(wǎng)設(shè)計成類似豎琴的模樣。一張安裝在美國弗吉尼亞州農(nóng)場上的這種網(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)生實用價值。實際上有很多地區(qū)至少會有晨霧，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。美國一家水公司承諾：將使用被稱為“水面板”的大型太陽能發(fā)電冷凝器來實現(xiàn)這一目標(biāo)。即使在干旱條件下，兩臺冷凝器每天也能從空氣中吸取10升左右的水。

現(xiàn)在這項技術(shù)面臨的問題是高能耗。收集1升水的耗能可以泡40杯茶。但這項技術(shù)不需要建設(shè)將水從一個地方輸送到另一個地方的基礎(chǔ)設(shè)施。新技術(shù)集水系統(tǒng)也很容易擴展：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)出來的水蒸氣都利用起來。2018年年底，一家公司推出了英國第一臺辦公室冷水機，它可以直接從空氣中冷凝水。該公司計劃出售一個足夠大的冷凝器，用它為一個小鎮(zhèn)服務(wù)。