無(wú)中生水成為現(xiàn)實(shí)：諾獎(jiǎng)得主用MOF實(shí)現(xiàn)空氣取水

（圖源：麻省理工科技評(píng)論）

奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）小時(shí)候很安靜，勤奮，也不太和九個(gè)兄弟姐妹打鬧嬉戲。等他年紀(jì)大到可以分擔(dān)家務(wù)時(shí)，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(méi)有電，也沒(méi)有自來(lái)水。城市至少每?jī)芍軙?huì)給當(dāng)?shù)厮堫^通水一次，但通常只有幾個(gè)小時(shí)，居民得抓緊時(shí)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(chǔ)備補(bǔ)滿。幾十年后，他說(shuō)自己想不起來(lái)有哪一次去晚了。因?yàn)樗ε伦尭改浮⑵邆€(gè)兄弟和兩個(gè)姐妹渴著，這種恐懼讓他始終守時(shí)。

亞吉可靠到什么程度？他父親甚至讓他負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)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(kāi)課間休息時(shí)喧鬧的人群，他發(fā)現(xiàn)學(xué)校圖書館的門沒(méi)上鎖，便溜了進(jìn)去。他隨手翻起一本化學(xué)教材，看見(jiàn)一幅他當(dāng)時(shí)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(wàn)物的基本單元，分子。

“我當(dāng)時(shí)不知道那是什么，但它抓住了我的注意力，”亞吉說(shuō)。“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(shuō)，是化學(xué)找到了他。來(lái)到美國(guó)、最終進(jìn)入哈佛大學(xué)做博士后，亞吉把整個(gè)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(shí)別并提出金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，簡(jiǎn)稱 MOFs）而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（與另外兩位科學(xué)家共同獲獎(jiǎng)）。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(gè)聽(tīng)起來(lái)像科幻、甚至像奇跡的新項(xiàng)目的基礎(chǔ)：從無(wú)形空氣中“變”出水來(lái)。

剛開(kāi)始研究 MOFs 時(shí)，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(duì)氣候更友好但難以儲(chǔ)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(lái)。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(gè)嘗試從大氣中提取可飲用水的人。但與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，他的方法可以在更低的濕度水平下工作。這可能會(huì)撼動(dòng)一個(gè)規(guī)模很小、剛剛起步的行業(yè)，而這個(gè)行業(yè)在未來(lái)數(shù)十年“更渴”的人類社會(huì)中，或許會(huì)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(tái)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(lái)一直在努力的目標(biāo)；而他那種近乎固執(zhí)的決心，來(lái)自他小時(shí)候在父親肉鋪里做家務(wù)時(shí)學(xué)到的東西。

“就是在那家肉鋪里，我學(xué)會(huì)了怎么把事情做到最好，怎么建立職業(yè)操守，”他說(shuō)。“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(kāi)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(guó)家，淡化海水的脫鹽工廠提供了主要的可飲用水來(lái)源，但代價(jià)高昂。脫鹽設(shè)施要么通過(guò)加熱蒸餾提取可飲用的部分，要么使用鹽分無(wú)法通過(guò)的膜進(jìn)行過(guò)濾；兩種方法都耗能巨大，并會(huì)留下高濃度鹽鹵。通常，脫鹽泵會(huì)把鹽鹵排回海洋，造成嚴(yán)重的生態(tài)破壞。

今年早些時(shí)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(yíng)家族的“水汽農(nóng)場(chǎng)”，用“蒸汽收集器（vaporators）”從空氣里提水。（其他科幻迷也許會(huì)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(huì)收集露水；大約 500 年前，印加人也會(huì)在樹(shù)下架起網(wǎng)與桶來(lái)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(jià)值數(shù)十億美元的生意，而且在未來(lái)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(lái)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(guò)度開(kāi)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(guó)政府問(wèn)責(zé)局（US Government Accountability Office）去年所說(shuō)的“可能是自鉛污染以來(lái)最大的水問(wèn)題”。這還沒(méi)算上微塑料正在引發(fā)的新災(zāi)難。

因此，很多地方開(kāi)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(guó)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(chǎng)之一甚至是富裕的阿聯(lián)酋。Watergen 市場(chǎng)副總裁安娜·切爾尼亞夫斯基（Anna Chernyavsky）說(shuō)：“你說(shuō)‘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(shuō)，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(chǎng)部署的系統(tǒng)”。他說(shuō)：“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(guò)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(lái)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(lái)——相當(dāng)于春季的死亡谷（Death Valley）。切爾尼亞夫斯基說(shuō)：“我們說(shuō)的是沙漠。低于 20%，你會(huì)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(shuō)：“當(dāng)相對(duì)濕度高于某個(gè)水平時(shí)，制冷方案效果相當(dāng)不錯(cuò)。但環(huán)境越干燥、相對(duì)濕度越低，它就會(huì)變得越來(lái)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(chǎng)。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(jiàn)的硅膠干燥包——先把水分吸進(jìn)來(lái)，再在加熱時(shí)釋放出來(lái)。理論上，干燥劑方案的優(yōu)勢(shì)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(yáng)能供電系統(tǒng)已部署到數(shù)十個(gè)國(guó)家。

但這兩類技術(shù)仍然需要大量能量：要么用于驅(qū)動(dòng)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(lái)。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(lái)吸附水分子。Atoco 的原型機(jī)使用一種看起來(lái)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(huì)自然吸入水分子，但孔道仍保持開(kāi)放，使得理論上只需要直射陽(yáng)光帶來(lái)的那點(diǎn)熱量，就能把水排出。Atoco 的工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)會(huì)用電來(lái)加速這一過(guò)程，但公司也在開(kāi)發(fā)第二種設(shè)計(jì)，目標(biāo)是完全離網(wǎng)運(yùn)行、無(wú)需任何能量輸入。

想用 MOFs 做取水的并不只有亞吉的 Atoco。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(lái)幾個(gè)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(dòng)公交打造更高效的空調(diào)系統(tǒng)。但后來(lái)，創(chuàng)始人馬特·喬爾（Matt Jore）聽(tīng)說(shuō)美國(guó)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(jià)有些過(guò)山車式波動(dòng)，但喬爾說(shuō)，市場(chǎng)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(lái)自河流等地表水源。

“所以，一天就是幾十億加侖，對(duì)吧？”喬爾對(duì)我說(shuō)。“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(shuō)。“如果你能把它利用起來(lái)，那就是你的水源。而且它不會(huì)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(duì) Atoco 的先發(fā)優(yōu)勢(shì)外，兩家公司在 MOFs 的來(lái)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(gòu)；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(shuō)：“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(gè)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(jí)取水機(jī)，日產(chǎn)量可達(dá)數(shù)千升；另一端是依靠被動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)備，可以在偏遠(yuǎn)、無(wú)電地區(qū)工作，只利用陽(yáng)光與環(huán)境溫度提供的能量。理論上，這類設(shè)備未來(lái)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(cè)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(mèng)想，”亞吉說(shuō)。“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(yáng)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(guò)，如果沒(méi)有規(guī)模效應(yīng)來(lái)降低成本，這會(huì)很棘手。切爾尼亞夫斯基說(shuō)：“你要在同一個(gè)地方完成制水、降溫、過(guò)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(duì)“離網(wǎng)的自由”有著特別深的體會(huì)，把水這種基本必需品從那些決定人們何時(shí)、以何種方式獲得水的系統(tǒng)的喜怒無(wú)常中解放出來(lái)。

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

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

我追問(wèn)得更具體一些：“你覺(jué)得當(dāng)你把這項(xiàng)技術(shù)講給他聽(tīng)時(shí)，他會(huì)怎么說(shuō)？”

亞吉笑了：“我覺(jué)得年幼的奧馬爾會(huì)覺(jué)得你在耍他，覺(jué)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(shuō)，這樣的現(xiàn)實(shí)會(huì)超出年幼奧馬爾最天馬行空的想象。

https://www.technologyreview.com/2025/12/17/1129259/omar-yaghi-chemist-nobel-prize-crystals-water-air/