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安全岛报人刘亚东A
来源：环球科学（ID: huanqiukexue）
作者：环球科学
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说起海绵，多数人最熟悉的可能不是这种生物本身，而是结构与海绵有相似之处、稀松多孔的材料——比如厨房里的洗碗海绵，这些材料往往有着优良的吸水性能。如今，科学家开发了一种更为先进的、与“海绵”有异曲同工之妙的材料。不过，这种材料的用途是从空气里吸水，为缺水的人提供生命保障。编译 | 李诗源
审校 | 王怡博
如果观察过洗碗或者拖地用的海绵，你也许会注意到这些材料的表面并不光滑，而是有许多微小的孔。如果把这些材料切开，你会发现它们的内部也布满了密密麻麻的小孔。正是这样的多孔结构，让这些材料不仅疏松、柔软，更具备了很强的吸水能力。这是因为多孔结构增大了材料的比表面积，从而增加了可供水分子吸附的表面面积。当然，多孔材料不只能吸附水分子，还能用于吸附和过滤水和空气中的各种有害化学物质，例如我们所熟知的多孔材料活性炭。
近年来，一类新的材料——金属有机框架（MOF）“走”进了人们的视野。顾名思义，这类材料中同时包含了无机金属和有机分子，它们搭建成了框架一般的结构。这种特殊的“框架”有点像用“球”和“棒”插接而成的模型：中心的金属离子相当于“球”，而周围连结的有机分子配体是其中的“棒”。而且，“球”与“棒”会按一定的规律排列，形成一种晶体网络结构，其中密布着蜂巢般的多孔“口袋”（pocket）。因此，一块方糖大小的多孔MOF就具有相当大的内表面积——像几个足球场那么大。
一种MOF材料（MOF-177）的结构示意图。（图片来源：JuliusEvola/Wikimedia Commons，License：CC BY-SA 4.0）
由于具有超大的比表面积，MOF材料具有优异、全面的吸附性能：不仅可以吸附甲烷、氢气、水等结构简单的分子，还可以吸附污染物、神经毒气等更为复杂的化合物。因此，MOF材料广泛适用于多种场景，包括储气、气体纯化、气体分离、水净化等。
能从空气中吸水的“海绵”
目前，科学家已经研发出了2万多种MOF材料。其中，有一种叫做“MOF-303”的材料具有极强的吸水性能。MOF-303最初由美国加利福尼亚大学伯克利分校的化学家奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）带领的团队研发，其中的金属元素是铝，有机分子是1H-吡唑-3,5-二羧酸（HDPC）。
MOF-303不仅能从空气中吸收水分，在稍稍加热后，还能把“困”在里面的水释放出来，就像是用海绵吸满水后再挤出来一样。如此往复循环，人们就能利用这种材料获得饮用水。美国国防部高级研究项目局（DARPA）开展的大气水分收集（AtmosphericWater Extraction）研发项目就看中了这种特性。对于作战军队而言，水供应是后勤保障中很重要的一环。目前常用的补给手段包括运送瓶装水、使用反渗透技术淡化海水、从雾中捕获水分等，但这些方法都有各自的不足。而MOF-303或许有助于解决军队的饮用水保障问题。
DARPA的项目经理布莱克·贝克斯丁（Blake Bextine）表示，将来MOF-303可以被用于制造移动水站。每一台移动水站的大小与货运托盘（用于装货和卸货）相当，重量约为135千克，因此可以用卡车运载，并具有独立、完备的产水功能。据估计，一台这样的水站每天能生产至少1100升淡水，可以满足约150人的饮水需求，而且产水的过程是安全可靠、廉价且高效的。如此看来，这种材料就不仅仅像海绵，甚至还像移动的“沙漠绿洲”一般，可以提供生命之源。
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“海绵”的秘密
尽管MOF-303早已展现出潜力，但对于科学家而言，这种材料还有一些秘密等待揭晓，比如他们还不是很清楚这种材料的集水机制，尤其是微观层面上的机制。在一项发表在《科学》（Science）上的新研究中，一支国际研究团队揭开了这种材料内部的奥秘。
科学家猜想，MOF-303之所以能高效地吸收空气中的水分，不仅仅是因为材料本身的多孔结构，或许还和材料吸附水分子的过程有关。
为了弄清楚MOF-303集水过程的微观机制，研究团队使用了单晶X射线衍射，以确定晶体的结构。他们发现，MOF-303孔道的内壁上具有很多可以吸附水分子的位点。最先到达这些位点的水分子会锚定在位点上，随后迅速与旁边经过的其他水分子形成氢键。这样一来，“氢键”就能吸引更多的水分子“跑”过来，从而捕获更多的水分子。亚吉表示，这一过程可以使水分子之间连接得非常紧密，就像冰晶一样。
MOF-303的结构示意图。图中灰、绿、红色小球分别代表碳、氮、氧原子，蓝色多边形代表铝离子。
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“一开始，水分子形成的是一个个独立的团簇，然后这些团簇会串联形成链式结构，最后这些链会形成一张水分子网络，填满MOF的孔道。”亚吉对此解释道。而且，对于储存在材料孔道内的“冰晶”而言，只要提供一些额外的热量，就能释放出来，变成饮用水。
更强大的集水材料
对于期望提升MOF材料的研究者来说，单单知道这些材料“很强大”是不够的，只有知道了它们“为什么”很强大，才能进一步改进这些材料的性能，而这项研究就在回答“为什么”这个问题上作出了贡献。美国得克萨斯农工大学的有机化学家周宏才肯定了这项工作的结果，并指出：“一旦了解材料的作用机制，我们就知道该如何改进这些材料了。”周宏才主要研究MOF和其他多孔材料，并未参与这项研究。
贝克斯丁也表示，尽管MOF-303的效果已经非常理想了，但还有改进的空间。例如，“不是所有的水分子都能被材料吸附，而且材料内部吸附水分子的速率也不尽相同。这是因为材料孔道前部的位点会先吸附水分子，这样一来，随着越来越多的水分子被吸引过来，前面先占上位点的水分子会阻碍后续分子的进入和吸附。”如果把MOF-303内部的储水孔道当作机舱，储水的过程就好比登机：如果一些人先抢占了前排的座位，后面的乘客就得穿过前排的乘客去往后排，这会延缓登机的过程。然而，如果有一部分乘客先往后坐，那么整个上座的过程就会顺畅得多。
美国芝加哥大学的理论计算化学家劳拉·加利亚尔迪（Laura Gagliardi）是这项研究的通讯作者之一。她表示，材料结合水分子的能力应该处于一种“折中”的状态：“位点要能充分地与水分子结合，但又不能结合太多的分子。”为了达到这种折中的效果，科学家可以修改材料结构中充当“连接棒”的有机分子。
“我们可以改动这些起连接作用的分子，例如把一些含氮的分子替换成含氧或者硫的分子，并且让不同的分子交替排列。在不改变框架几何结构的条件下，通过调整孔道与水分子的结合能，可以将集水量提升15%。与此同时，我们还可以控制脱附过程，从而实现不用过多加热就能排出材料中的水。”亚吉说道。
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这项最新的研究为改造MOF材料的吸水性能，以及设计出更好的集水材料提供了新的思路。长远来看，如果MOF-303和其他类似的材料能够成功从空气中取水，这不仅能为军队提供保障，还可以让赈灾团队以及远离饮用水源的偏远地区的人即时获得安全的饮用水，从而有助于缓解全球严峻的缺水问题。也许，“喝西北风”将会从一句调侃变成现实，甚至是救命的方法。
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原文链接：
https://www.scientificamerican.com/article/portable-oasis-extracts-water-from-dry-desert-air/
参考链接：
https://en.wikipedia.org/wiki/Metal–organic_framework
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aat3198
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj0890
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