一种超多孔化合物可以从干燥的沙漠空气中提取水分子，将其存储为微小的“冰柱”，然后以清洁饮用水的形式释放出来。一项新的研究详细展示了这种新型湿度海绵的开发者们它是如何工作的，使其朝着实际应用迈进了一步。研究人员正与政府、行业和大学合作伙伴一起，努力将他们的项目转变为便携式补水系统，以便在日益干渴的世界中几乎任何地方都能获取淡水。
这项技术依赖于一种名为MOF-303的铝基化合物，它是超过20,000种被称为金属有机框架（MOFs）的设计材料之一。这些物质由无机和有机分子组成，它们连接在一起形成开放的晶格结构，类似于Tinkertoy积木玩具：金属离子的中心“节点”与多个有机“棒”分子结合，产生笼状框架。由此产生的多孔晶体结构充满了微孔，以至于一块方糖大小的MOF可以包含几个足球场大小的内部表面积。这些表面可以吸引并结合许多简单的气体分子，如甲烷、氢气和水，以及更复杂的化合物，包括污染物和神经毒气。由于其捕获气体的能力，MOFs在各种实际应用中都很有用，而MOF-303尤其擅长从空气中挤出微量湿度。
这些卓越的吸水能力背后的具体机制现在已由加州大学伯克利分校化学家奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）领导的国际团队进行了解释。“我们弄清楚了哪种水先来，以及它是如何一步一步填充的，”他说。亚吉的团队此前专门为吸水开发了MOF-303，并在干燥的实验室条件和亚利桑那州沙漠中成功地展示了它。在他们上个月发表在《科学》杂志上的新研究中，他们使用精确的X射线衍射测量方法分析了MOF-303，这种方法通过测量反射X射线的相互干涉方式来确定分子的结构。
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实验结果与研究人员对MOF-303行为的理论预测相符：亚吉说，该材料的纳米级微孔很容易被水蒸气填充，因为内部孔壁上“装饰”着吸引水分子的位点。到达这些位点的第一个水分子会把自己固定在那里。这些捕获的分子迅速与其他经过的水分子形成氢键，播下亚吉所说的致密的、环境温度的冰晶的种子。虽然它们保持在空气温度下，但分子像在冰中一样结合在一起，用固态水结构填充孔隙。“首先，水分子形成孤立的簇，然后是簇链，最后水网络覆盖了内部空间，”他解释说。一旦MOF用这些微小的冰柱填充了孔隙，只需施加少量额外的热量就足以将分子释放为可饮用的饮用水。
对于希望提高MOF性能的研究人员来说，亚吉对这种材料用于捕获水分的机制的详细描述非常重要。“一旦你知道了机制，你就知道如何改进它，”德克萨斯A&M大学研究MOFs和其他多孔材料的有机化学家周宏才（Hong-Cai “Joe” Zhou）说，他没有参与这项研究。“他们解决了这个问题，这真是太棒了。”
新的MOF-303研究得到了美国国防高级研究计划局（DARPA）的“大气水提取计划”的支持：这是一项为期四年的研发工作，旨在降低向战地部队运输供水的风险和后勤成本。其目标是取代目前的方案，如运输瓶装水、使用反渗透的海水淡化和雾气捕捉结构——每种方案都有其自身的问题。从长远来看，类似的技术可能有助于解决全球日益严重的水资源短缺问题。
DARPA的项目经理布莱克·贝克斯廷（Blake Bextine）说，如果该项目成功，新的集水技术可能意味着，战斗部队、救灾队以及其他远离饮用水源的偏远地区的人们，将来可能会受益于卡车运输的“便携式绿洲”站——托盘大小、重量约为300磅的独立补水装置。贝克斯廷说，当连接到柴油发电机以驱动风扇和加热器时，一个装置每天可以可靠、高效且经济地生产至少300加仑的淡水——足以供应一个150人左右的陆军连级规模的团队。原型机将于2022年中期进行测试。
为了开发使用MOFs的集水装置，亚吉和他的同事正在与通用电气（GE）的研发团队以及另外两个大学研究小组合作。通用电气获得了DARPA 540万美元的资助，作为该项目的首席研究员并制造该装置，目前正在对其进行建模、设计和工程改造，以使其尽可能简单高效。与此同时，大学研究小组（一个由芝加哥大学的理论计算化学家劳拉·加利亚尔迪（Laura Gagliardi）领导，另一个由南阿拉巴马大学的化学工程师格兰特·格洛弗（Grant Glover）领导）正在使用分子模拟和精确的实验测量来弄清楚这种材料如何能够更轻松地捕获更多的水。
贝克斯廷说，尽管MOF-303已经非常有效，但仍有改进的余地。“并非所有的水都能在材料内部均匀吸附，”他解释说。“如果你首先加载前部的位点，当水分子流入微孔时，它可能会阻碍完全吸收。”这个过程有点像登上客机：如果每个人都抢占前排的座位，那就会减慢到达后排座位的速度。但是，如果能说服乘客找到更靠后的位置，那么客机的客舱——或者MOF-303的存储孔隙——就能更快、更有效地填满。正如加利亚尔迪所说，“这些位点需要结合得足够，但又不能过多。”
亚吉和他的同事说，他们可以通过调整用作Tinkertoy结构“棒”的有机分子的类型来获得这些“恰到好处”的结合位点。“本质上，我们可以将含有氧或硫而不是氮的替代连接单元混合到框架中——但具有相同的几何形状——以调节孔壁的结合能，并将吸水率提高15%，”亚吉说。“与此同时，我们控制了解吸温度，这样你仍然可以在不需要太多热量的情况下去除水分。”
周说，这项新研究是“一个美丽的例子”。它表明，“理解原子和分子水平的详细机制，未来应该有助于研究人员在新兴的生物医学应用中找到解决方案——包括智能药物递送、核磁共振成像和光疗。” 从这项研究中获得的见解还可以使化学家能够塑造MOFs的吸水行为，并有可能设计出更好的湿度海绵。未来，这些材料可能会被证明是世界各地遭受干旱或灾难的人们的生命线。