無中生水成為現(xiàn)實(shí)：諾獎得主用MOF實(shí)現(xiàn)空氣取水

（圖源：麻省理工科技評論）

奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）小時候很安靜，勤奮，也不太和九個兄弟姐妹打鬧嬉戲。等他年紀(jì)大到可以分擔(dān)家務(wù)時，父母自然而然地把家里最重要的活之一交給了他：去打水。和約旦安曼（Amman）那片巴勒斯坦人聚居的社區(qū)里大多數(shù)家庭一樣，亞吉家沒有電，也沒有自來水。城市至少每兩周會給當(dāng)?shù)厮堫^通水一次，但通常只有幾個小時，居民得抓緊時間把自家水箱裝滿。年幼的奧馬爾就負(fù)責(zé)把家里的水儲備補(bǔ)滿。幾十年后，他說自己想不起來有哪一次去晚了。因?yàn)樗ε伦尭改浮⑵邆€兄弟和兩個姐妹渴著，這種恐懼讓他始終守時。

亞吉可靠到什么程度？他父親甚至讓他負(fù)責(zé)監(jiān)測那些將被送去自家肉鋪的牛吃了多少、喝了多少。要想出最好的肉，牛必須喂得足、喝得夠——但它們是在干旱的沙漠環(huán)境里養(yǎng)大的，這并不容易。

但在 10 歲那年，亞吉發(fā)現(xiàn)了另一種“職業(yè)”。為了躲開課間休息時喧鬧的人群，他發(fā)現(xiàn)學(xué)校圖書館的門沒上鎖，便溜了進(jìn)去。他隨手翻起一本化學(xué)教材，看見一幅他當(dāng)時看不懂的圖：一些小球被棍狀結(jié)構(gòu)連接成奇妙的形狀。那是組成萬物的基本單元，分子。

“我當(dāng)時不知道那是什么，但它抓住了我的注意力，”亞吉說。“我一直想弄明白它們到底是什么。”

這就是他發(fā)現(xiàn)化學(xué)的方式，或者說，是化學(xué)找到了他。來到美國、最終進(jìn)入哈佛大學(xué)做博士后，亞吉把整個職業(yè)生涯都投入到一件事上：為那些“小棍”和“小球”找到能夠構(gòu)造出全新、迷人形狀的方法。2025 年 10 月，他因識別并提出金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，簡稱 MOFs）而獲得諾貝爾化學(xué)獎（與另外兩位科學(xué)家共同獲獎）。MOFs 是由金屬離子與有機(jī)分子系縛在一起，形成重復(fù)結(jié)構(gòu)景觀的材料。如今，這項(xiàng)工作又成為一個聽起來像科幻、甚至像奇跡的新項(xiàng)目的基礎(chǔ)：從無形空氣中“變”出水來。

剛開始研究 MOFs 時，亞吉以為它們可以吸收破壞氣候的二氧化碳，或許還能“裝下”氫分子，解決這種對氣候更友好但難以儲存的燃料所面臨的棘手難題。但在 2014 年，亞吉在加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的團(tuán)隊(duì)突然靈光一現(xiàn)。MOFs 內(nèi)部那些微小孔隙可以被設(shè)計(jì)成：材料像海綿一樣從周圍空氣中抓取水分子，然后只需要一點(diǎn)點(diǎn)熱量，就能像把海綿擰干一樣把水釋放出來。一克可吸水的 MOF，其內(nèi)部表面積大約可達(dá) 7,000 平方米。

亞吉并不是第一個嘗試從大氣中提取可飲用水的人。但與競爭對手相比，他的方法可以在更低的濕度水平下工作。這可能會撼動一個規(guī)模很小、剛剛起步的行業(yè)，而這個行業(yè)在未來數(shù)十年“更渴”的人類社會中，或許會變得至關(guān)重要。如今，他創(chuàng)立的公司 Atoco 正在加速展示兩臺機(jī)器：亞吉相信，它們幾乎可以在地球任何地方生產(chǎn)干凈、新鮮、可飲用的水，甚至不需要接入能源供給。

這就是亞吉十多年來一直在努力的目標(biāo)；而他那種近乎固執(zhí)的決心，來自他小時候在父親肉鋪里做家務(wù)時學(xué)到的東西。

“就是在那家肉鋪里，我學(xué)會了怎么把事情做到最好，怎么建立職業(yè)操守，”他說。“我學(xué)到的是：一件工作只有做到位才算完成。除非你能把它做完，要么就干脆別開始。”

地球表面大部分被水覆蓋，但其中只有 3% 是所有陸地生命賴以生存的淡水。如今，在以色列、阿聯(lián)酋這樣的技術(shù)先進(jìn)沙漠國家，淡化海水的脫鹽工廠提供了主要的可飲用水來源，但代價高昂。脫鹽設(shè)施要么通過加熱蒸餾提取可飲用的部分，要么使用鹽分無法通過的膜進(jìn)行過濾；兩種方法都耗能巨大，并會留下高濃度鹽鹵。通常，脫鹽泵會把鹽鹵排回海洋，造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。

今年早些時候，我在和 Atoco 的高管聊二氧化碳捕集，他們提到了從大氣中“收集”水的可能性。我的腦海當(dāng)然立刻跳到《星球大戰(zhàn)》：盧克·天行者在干旱星球塔圖因（Tatooine）上經(jīng)營家族的“水汽農(nóng)場”，用“蒸汽收集器（vaporators）”從空氣里提水。（其他科幻迷也許會想到《沙丘》，以及弗雷曼人的集水技術(shù)。）這真的可能嗎？

事實(shí)證明，人類做這件事已經(jīng)有幾千年了。從霧中取水的考古證據(jù)最早可追溯到公元前 5000 年。古希臘人會收集露水；大約 500 年前，印加人也會在樹下架起網(wǎng)與桶來匯集水分。

行業(yè)分析師稱，如今“從空氣取水”已經(jīng)是一門價值數(shù)十億美元的生意，而且在未來五年內(nèi)有望再增加數(shù)十億美元的規(guī)模。部分原因是，傳統(tǒng)淡水來源正陷入危機(jī)。更熱的冬季使山地降雪減少，春季融雪水就更少，下游可用水也隨之減少。干旱不斷刷新紀(jì)錄。海平面上升導(dǎo)致海水滲入地下含水層，而這些含水層本就因農(nóng)業(yè)和城市擴(kuò)張而被過度開采。老化的化糞池把細(xì)菌滲入水體；致癌的“永久化學(xué)品（forever chemicals）”正在造成美國政府問責(zé)局（US Government Accountability Office）去年所說的“可能是自鉛污染以來最大的水問題”。這還沒算上微塑料正在引發(fā)的新災(zāi)難。

因此，很多地方開始轉(zhuǎn)向大氣取水。以色列公司 Watergen 從事這項(xiàng)技術(shù)，最初計(jì)劃把產(chǎn)品部署到世界上更干旱、更貧窮的地區(qū)。但結(jié)果是，歐洲和美國的買家反而找上門，把它當(dāng)作確保潔凈水供應(yīng)的一種方式。Watergen 最大的市場之一甚至是富裕的阿聯(lián)酋。Watergen 市場副總裁安娜·切爾尼亞夫斯基（Anna Chernyavsky）說：“你說‘水危機(jī)’，不僅僅是缺水，還包括能否獲得高質(zhì)量的水。”

換句話說，德州大學(xué)奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的機(jī)械工程師虞桂華（Guihua Yu）表示，這項(xiàng)技術(shù)“已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室原型演進(jìn)為強(qiáng)健、可在現(xiàn)場部署的系統(tǒng)”。他說：“在系統(tǒng)層面，產(chǎn)能與能效仍有提升空間，但整體進(jìn)展一直穩(wěn)定且令人鼓舞。”

MOFs 只是這一思路的最新路徑。第一代商業(yè)技術(shù)依賴壓縮機(jī)與制冷劑——本質(zhì)上就是你家廚房冰箱的放大版。它們都需要用電，并通過一堆管道與換熱器，讓某種化學(xué)物質(zhì)在氣體與液體之間相變來制造低溫；冰箱要盡量減少凝結(jié)，而取水機(jī)基本上是要盡量促進(jìn)凝結(jié)。

Watergen 的技術(shù)就是這么運(yùn)作的：使用壓縮機(jī)與換熱器，在低至 20% 的濕度條件下從空氣中“擰”出水來——相當(dāng)于春季的死亡谷（Death Valley）。切爾尼亞夫斯基說：“我們說的是沙漠。低于 20%，你會流鼻血。”

但這可能仍然不夠。猶他大學(xué)（University of Utah）研究大氣取水的機(jī)械工程師薩米爾·拉奧（Sameer Rao）說：“當(dāng)相對濕度高于某個水平時，制冷方案效果相當(dāng)不錯。但環(huán)境越干燥、相對濕度越低，它就會變得越來越難。在某些情況下，基于制冷的系統(tǒng)實(shí)際上根本不可能工作。”

因此，第二波技術(shù)找到了市場。像 Source Global 這樣的公司使用干燥劑（desiccants）——也就是能從空氣中吸濕的物質(zhì)，類似維生素瓶里常見的硅膠干燥包——先把水分吸進(jìn)來，再在加熱時釋放出來。理論上，干燥劑方案的優(yōu)勢在于：它可以在更低濕度下吸水；并且由于不需要運(yùn)行冷凝系統(tǒng)，前端耗能更低。Source Global 聲稱，它的離網(wǎng)、太陽能供電系統(tǒng)已部署到數(shù)十個國家。

但這兩類技術(shù)仍然需要大量能量：要么用于驅(qū)動換熱器，要么用于產(chǎn)生足夠熱量，讓水從干燥劑中釋放出來。亞吉希望 MOFs 不需要這樣。現(xiàn)在，Atoco 正試圖證明這一點(diǎn)。與其用換熱器把空氣溫度降到露點(diǎn)、或用干燥劑從大氣中吸引水分，系統(tǒng)可以依靠專門設(shè)計(jì)的 MOFs 來吸附水分子。Atoco 的原型機(jī)使用一種看起來像爽身粉的 MOF，并把它固定在類似玻璃的表面上。MOF 的孔隙會自然吸入水分子，但孔道仍保持開放，使得理論上只需要直射陽光帶來的那點(diǎn)熱量，就能把水排出。Atoco 的工業(yè)級設(shè)計(jì)會用電來加速這一過程，但公司也在開發(fā)第二種設(shè)計(jì)，目標(biāo)是完全離網(wǎng)運(yùn)行、無需任何能量輸入。

想用 MOFs 做取水的并不只有亞吉的 Atoco。競爭對手 AirJoule 已在德州和阿聯(lián)酋推出基于 MOF 的大氣取水設(shè)備，并與亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）的研究人員合作，計(jì)劃在未來幾個月部署更多設(shè)備。這家公司最初的方向是為在炎熱潮濕城市街道上運(yùn)行的電動公交打造更高效的空調(diào)系統(tǒng)。但后來，創(chuàng)始人馬特·喬爾（Matt Jore）聽說美國政府正在推進(jìn)從空氣取水的努力，于是果斷轉(zhuǎn)向。這家初創(chuàng)公司的股價有些過山車式波動，但喬爾說，市場規(guī)模之大足以讓他繼續(xù)做下去。以馬里科帕縣（Maricopa County，涵蓋鳳凰城及周邊地區(qū)）為例：它每天從不斷縮小的地下含水層抽取 12 億加侖水，另有 8.74 億加侖來自河流等地表水源。

“所以，一天就是幾十億加侖，對吧？”喬爾對我說。“你知道大氣里每天有多少水‘流入量’嗎？250 億加侖。”

我眉毛一挑：“全球范圍？”

“僅僅是大鳳凰城地區(qū)，空氣中的水‘流入量’每天就大約有 250 億加侖，”他說。“如果你能把它利用起來，那就是你的水源。而且它不會消失。全世界到處都是。我們把大氣看作世界免費(fèi)的輸水管道。”

除了 AirJoule 相對 Atoco 的先發(fā)優(yōu)勢外，兩家公司在 MOFs 的來源上也不同。AirJoule 的系統(tǒng)依賴一種現(xiàn)成版本，由公司向化工巨頭巴斯夫（BASF）采購；而 Atoco 則希望發(fā)揮亞吉在新材料設(shè)計(jì)上的能力，為不同應(yīng)用與地點(diǎn)量身定制專用 MOFs。

Atoco 商務(wù)拓展副總裁馬格努斯·巴赫（Magnus Bach）說：“考慮到我們擁有這一整類材料的發(fā)明者，并且能夠利用他在伯克利實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)出的成果——在其他條件相同的情況下，我們有一個很好的起點(diǎn)去工程化出可能是世界上最好的材料。”

亞吉設(shè)想的產(chǎn)品線是雙線并行。一端是用電的工業(yè)級取水機(jī)，日產(chǎn)量可達(dá)數(shù)千升；另一端是依靠被動系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)備，可以在偏遠(yuǎn)、無電地區(qū)工作，只利用陽光與環(huán)境溫度提供的能量。理論上，這類設(shè)備未來甚至可能替代海水淡化，乃至替代整套城市供水系統(tǒng)。下一輪野外測試計(jì)劃于 2026 年初在莫哈韋沙漠（Mojave Desert）進(jìn)行——那是地球上最炎熱、最干燥的地方之一。

“那就是我的夢想，”亞吉說。“讓人們擁有用水獨(dú)立性，這樣他們的生活就不必依賴別人。”

亞吉和 Watergen 的切爾尼亞夫斯基都表示，他們也在考慮更去中心化的版本，能在市政公用系統(tǒng)之外運(yùn)行。像屋頂太陽能板和家用電池那樣的家用設(shè)備，或許能讓家庭在離網(wǎng)情況下自行生產(chǎn)用水。

不過，如果沒有規(guī)模效應(yīng)來降低成本，這會很棘手。切爾尼亞夫斯基說：“你要在同一個地方完成制水、降溫、過濾——全都要做。所以要把它做得很小，非常、非常難。”

盡管困難重重，亞吉的童年經(jīng)歷卻讓他對“離網(wǎng)的自由”有著特別深的體會，把水這種基本必需品從那些決定人們何時、以何種方式獲得水的系統(tǒng)的喜怒無常中解放出來。

“那真的是我的夢想，”他說。“給人們用水獨(dú)立性，讓他們不必依賴他人來維系生計(jì)或生命。”

在我們的一次對話快結(jié)束時，我問亞吉：如果可以，他會對年少的自己說些什么？他說：“就水壓力的影響而言，約旦是最糟糕的國家之一。”他表示，自己會說：“繼續(xù)保持勤奮與敏銳觀察。你追求什么其實(shí)沒那么重要，只要你有熱情就行。”

我追問得更具體一些：“你覺得當(dāng)你把這項(xiàng)技術(shù)講給他聽時，他會怎么說？”

亞吉笑了：“我覺得年幼的奧馬爾會覺得你在耍他，覺得這都是虛構(gòu)的，而且你想從他那里騙走點(diǎn)什么。”換句話說，這樣的現(xiàn)實(shí)會超出年幼奧馬爾最天馬行空的想象。

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