严重的水资源短缺已经影响到世界上许多地区，随着人口增长和气候变暖，这种情况预计会变得更加严重。但麻省理工学院和加州大学伯克利分校的科学家们开发的一项新技术可以提供一种新方法，通过直接从空气中的水分中提取水，即使在最干燥的地方，也可以在地球上几乎任何地方获得干净、新鲜的水。
现有的技术可以从非常潮湿的空气中提取水分，例如在许多沿海地区部署的“雾收集”系统。从干燥空气中去除水分的方法非常昂贵。但研究人员说，这种新方法是第一个有可能在几乎任何地方广泛使用的方法，无论湿度如何。他们开发了一种完全被动的系统，该系统基于泡沫状材料，可以将水分吸进其毛孔，完全由太阳能提供动力。
该研究结果发表在《科学》杂志上，研究团队包括麻省理工学院机械工程副教授Evelyn Wang、麻省理工学院博士后Sameer Rao、研究生Hyunho Kim、研究科学家Sungwoo Yang和Shankar Narayanan(目前就职于伦斯勒理工学院)，以及校友Ari Umans SM ' 15。伯克利分校的合著者包括研究生Eugene Kapustin，项目科学家Hiroyasu Furukawa和化学教授Omar Yaghi。
麻省理工学院盖尔·e·肯德尔教授王解释说，包括智利和摩洛哥在内的许多国家都在使用雾收集技术，它需要非常潮湿的空气，相对湿度为100%。但这种水饱和的空气只在非常有限的地区常见。在干燥地区获得水的另一种方法被称为露水收集，这种方法是将表面冷却，这样水就会在上面凝结，就像炎热的夏天在冷杯子的外面一样，但保持表面凉爽“非常耗能”，她说，即使这样，这种方法在相对湿度低于50%的情况下也可能不起作用。新系统没有这些限制。
对于比这更干燥的空气，这在世界各地的干旱地区很常见，以前没有技术提供一种实用的方法来获取水。“世界上有一些沙漠地区的湿度在20%左右，”在那里，饮用水是迫切需要的，“但真的没有一种技术可以满足”这种需求，王说。相比之下，新系统是“完全被动的——你所需要的只是阳光”，不需要外部能源供应，也没有活动部件。
事实上，这个系统甚至不需要阳光——它只需要一些热源，甚至可以是柴火。Rao说:“有很多地方有可供燃烧的生物质，而水却很稀缺。”
新系统的关键在于多孔材料本身，它是被称为金属有机框架(mof)的化合物家族的一部分。这些化合物是由Yaghi在20年前发明的，它们形成了一种海绵状结构，具有很大的内表面积。通过调整MOF的确切化学成分，可以使这些表面具有亲水性或吸水性。研究小组发现，当这种材料被置于涂成黑色以吸收太阳热量的上表面和保持与外界空气相同温度的下表面之间时，水就会以蒸汽的形式从孔隙中释放出来，并在温度和浓度的差异下自然地以液体的形式滴下，并聚集在较冷的下表面。
测试表明，一公斤(两磅多一点)的这种材料每天可以从湿度只有20%的非常干燥的空气中收集大约三夸脱的淡水，大约足够供应一个人的饮用水。这样的系统每天只需要集中精力收集几次水，打开设备让新鲜空气进入，然后开始下一个循环。
更重要的是，mof可以通过将许多不同的金属与数百种有机化合物中的任何一种结合而制成，从而产生几乎无限种类的不同成分，这些成分可以“调谐”以满足特定的需要。到目前为止，已经制造了2万多个MOFs品种。
“通过仔细设计这种材料，我们可以拥有在50%湿度下非常有效地吸水的表面特性，但如果采用不同的设计，它可以在30%的湿度下工作，”Kim说。“通过选择合适的材料，我们可以使它适合不同的条件。他说，最终我们可以从水浓度的整个光谱中收集水。
Yaghi是伯克利全球科学研究所的创始主任，他说:“未来的一个愿景是让水脱离电网，你在家里有一个设备，通过周围的太阳能运行，来输送满足家庭需求的水。对我来说，由于这个实验，这将成为可能。我称之为个性化水。”
虽然这些最初的实验已经证明了这个概念是可行的，但研究小组表示，在完善设计和寻找更有效的mof品种方面还有更多的工作要做。目前的版本可以收集高达自身重量25%的水，但经过进一步调整，他们认为这个比例至少可以翻倍。
“哇，这是一项了不起的技术，”没有参与这项工作的加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)工程学教授杨洋(Yang Yang)说。“它将对水和太阳能等可再生和可持续资源产生巨大的科学和技术影响。”
这项工作得到了美国能源部ARPA-E项目的部分支持。