一種超多孔化合物可以從乾燥的沙漠空氣中提取水分子，將其儲存為微小的“冰柱”，然後以清潔飲用水的形式釋放出來。一項新的研究詳細展示了這種新型溼度海綿的開發者們它是如何工作的，使其朝著實際應用邁進了一步。研究人員正與政府、行業和大學合作伙伴一起，努力將他們的專案轉變為行動式補水系統，以便在日益乾渴的世界中幾乎任何地方都能獲取淡水。
這項技術依賴於一種名為MOF-303的鋁基化合物，它是超過20,000種被稱為金屬有機框架（MOFs）的設計材料之一。這些物質由無機和有機分子組成，它們連線在一起形成開放的晶格結構，類似於Tinkertoy積木玩具：金屬離子的中心“節點”與多個有機“棒”分子結合，產生籠狀框架。由此產生的多孔晶體結構充滿了微孔，以至於一塊方糖大小的MOF可以包含幾個足球場大小的內部表面積。這些表面可以吸引並結合許多簡單的氣體分子，如甲烷、氫氣和水，以及更復雜的化合物，包括汙染物和神經毒氣。由於其捕獲氣體的能力，MOFs在各種實際應用中都很有用，而MOF-303尤其擅長從空氣中擠出微量溼度。
這些卓越的吸水能力背後的具體機制現在已由加州大學伯克利分校化學家奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）領導的國際團隊進行了解釋。“我們弄清楚了哪種水先來，以及它是如何一步一步填充的，”他說。亞吉的團隊此前專門為吸水開發了MOF-303，並在乾燥的實驗室條件和亞利桑那州沙漠中成功地展示了它。在他們上個月發表在《科學》雜誌上的新研究中，他們使用精確的X射線衍射測量方法分析了MOF-303，這種方法透過測量反射X射線的相互干涉方式來確定分子的結構。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能有更多關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
實驗結果與研究人員對MOF-303行為的理論預測相符：亞吉說，該材料的奈米級微孔很容易被水蒸氣填充，因為內部孔壁上“裝飾”著吸引水分子的位點。到達這些位點的第一個水分子會把自己固定在那裡。這些捕獲的分子迅速與其他經過的水分子形成氫鍵，播下亞吉所說的緻密的、環境溫度的冰晶的種子。雖然它們保持在空氣溫度下，但分子像在冰中一樣結合在一起，用固態水結構填充孔隙。“首先，水分子形成孤立的簇，然後是簇鏈，最後水網路覆蓋了內部空間，”他解釋說。一旦MOF用這些微小的冰柱填充了孔隙，只需施加少量額外的熱量就足以將分子釋放為可飲用的飲用水。
對於希望提高MOF效能的研究人員來說，亞吉對這種材料用於捕獲水分的機制的詳細描述非常重要。“一旦你知道了機制，你就知道如何改進它，”德克薩斯A&M大學研究MOFs和其他多孔材料的有機化學家周宏才（Hong-Cai “Joe” Zhou）說，他沒有參與這項研究。“他們解決了這個問題，這真是太棒了。”
新的MOF-303研究得到了美國國防高階研究計劃局（DARPA）的“大氣水提取計劃”的支援：這是一項為期四年的研發工作，旨在降低向戰地部隊運輸供水的風險和後勤成本。其目標是取代目前的方案，如運輸瓶裝水、使用反滲透的海水淡化和霧氣捕捉結構——每種方案都有其自身的問題。從長遠來看，類似的技術可能有助於解決全球日益嚴重的水資源短缺問題。
DARPA的專案經理布萊克·貝克斯廷（Blake Bextine）說，如果該專案成功，新的集水技術可能意味著，戰鬥部隊、救災隊以及其他遠離飲用水源的偏遠地區的人們，將來可能會受益於卡車運輸的“行動式綠洲”站——托盤大小、重量約為300磅的獨立補水裝置。貝克斯廷說，當連線到柴油發電機以驅動風扇和加熱器時，一個裝置每天可以可靠、高效且經濟地生產至少300加侖的淡水——足以供應一個150人左右的陸軍連級規模的團隊。原型機將於2022年中期進行測試。
為了開發使用MOFs的集水裝置，亞吉和他的同事正在與通用電氣（GE）的研發團隊以及另外兩個大學研究小組合作。通用電氣獲得了DARPA 540萬美元的資助，作為該專案的首席研究員並製造該裝置，目前正在對其進行建模、設計和工程改造，以使其儘可能簡單高效。與此同時，大學研究小組（一個由芝加哥大學的理論計算化學家勞拉·加利亞爾迪（Laura Gagliardi）領導，另一個由南阿拉巴馬大學的化學工程師格蘭特·格洛弗（Grant Glover）領導）正在使用分子模擬和精確的實驗測量來弄清楚這種材料如何能夠更輕鬆地捕獲更多的水。
貝克斯廷說，儘管MOF-303已經非常有效，但仍有改進的餘地。“並非所有的水都能在材料內部均勻吸附，”他解釋說。“如果你首先載入前部的位點，當水分子流入微孔時，它可能會阻礙完全吸收。”這個過程有點像登上客機：如果每個人都搶佔前排的座位，那就會減慢到達後排座位的速度。但是，如果能說服乘客找到更靠後的位置，那麼客機的客艙——或者MOF-303的儲存孔隙——就能更快、更有效地填滿。正如加利亞爾迪所說，“這些位點需要結合得足夠，但又不能過多。”
亞吉和他的同事說，他們可以透過調整用作Tinkertoy結構“棒”的有機分子的型別來獲得這些“恰到好處”的結合位點。“本質上，我們可以將含有氧或硫而不是氮的替代連線單元混合到框架中——但具有相同的幾何形狀——以調節孔壁的結合能，並將吸水率提高15%，”亞吉說。“與此同時，我們控制瞭解吸溫度，這樣你仍然可以在不需要太多熱量的情況下去除水分。”
周說，這項新研究是“一個美麗的例子”。它表明，“理解原子和分子水平的詳細機制，未來應該有助於研究人員在新興的生物醫學應用中找到解決方案——包括智慧藥物遞送、核磁共振成像和光療。” 從這項研究中獲得的見解還可以使化學家能夠塑造MOFs的吸水行為，並有可能設計出更好的溼度海綿。未來，這些材料可能會被證明是世界各地遭受乾旱或災難的人們的生命線。