几年前，工业光魔公司推出了一部动画电影《兰戈》，开篇描绘了这样的场景：一只名叫兰戈的蜥蜴被意外丢到美国西部沙漠，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”效果如何？
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。
近二十年来，MOFs以其高颜值、高比表面、高度结构可控、高程度的可修饰等特点以及其在催化、存储、分离、光电、磁性、传感等方面的应用前景瞬间俘获了众多科学家的心，使之自诞生以来得到了迅速发展。
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]
除了分子结构外，其晶体外观也非常漂亮——形状规则、透明、在太阳光下晶莹闪亮。不同金属离子的MOFs还会表现出红、黄、蓝、绿等不同的颜色。
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]
另外要提的是，MOFs材料具有结构可控和可修饰性的特点，这两种优点为以后材料的结构设计与性能改善提供了便利。科学家们或许由此可以开发出效率更高的吸汽材料来。
设计MOFs材料可选择的金属原料很多，像MOF-801使用的氧氯化锆（ZrOCl2）原料，价格比较昂贵，不利于商业应用。而合成MOF-303的原料是便宜易得的氯化铝（AlCl3），可大大降低成本。
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……（编辑：小柒）
参考文献：
- P. H. Gleick, Water in Crisis: A Guideto the World’s Fresh Water Resources (Oxford Univ. Press, 1993)
- 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