鄭晶敏

飲用水來自哪里？

中學(xué)地理課上曾講過水循環(huán)：自然界中的水在太陽能的作用下，以不同形態(tài)在海洋、天空和陸地之間存在并流動(dòng)著，而飲用水大多都是通過凈化地表水獲得的。不過，哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)給出了一個(gè)新的答案：空氣。

一些生活在沙漠中的生物，能夠依靠獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)吸收空氣中的水分，以此滿足基本的生存需要。來自哈佛大學(xué)Wyss生物工程研究院（下簡(jiǎn)稱“Wyss”）的研究員們，就從這些動(dòng)物身上獲得了靈感。通過研究沙漠甲殼蟲、仙人掌和豬籠草的生物特征，他們聯(lián)合哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（下簡(jiǎn)稱“SEAS”），共同研發(fā)了一種能從空氣中收集水并實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸存儲(chǔ)的仿生材料。

對(duì)生物工程研究院的研究者來說，從空氣中取水其實(shí)并不是一個(gè)新課題。Wyss和SEAS對(duì)此的研究始于2013年。

制造從空氣中吸水的材料不是難事，這和冬天的玻璃窗朝室內(nèi)的一面常常有霧氣的原理相似。德國(guó)不來梅大學(xué)也曾研究過一種大平面的聚合物類材料，夜間從空氣中吸收水分，白天受熱后釋放出水。

但要讓獲得的水量能夠滿足使用，就是另一回事了。如何在短時(shí)間內(nèi)收集到足夠多的水，Wyss和SEAS研究的仿生材料試圖解決的就是這個(gè)問題。

仿生材料最初采用的是光滑多孔的表面。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，光滑表面可以最大程度地減少摩擦力，有助于水滴凝結(jié)和流動(dòng)。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明，隨著水量逐漸增多，水滴會(huì)在光滑表面粘連，影響吸水效率。直到去年，他們才從甲蟲和仙人掌身上找到突破口。今年2月，他們將研究成果發(fā)表在了《自然》雜志上。

“納米布沙漠甲蟲凹凸不平的背部可以快速地從空氣中吸收水分，仙人掌用的則是它不對(duì)稱的V形掌刺。”Wyss研究員Kyoo-ChulPark對(duì)《第一財(cái)經(jīng)周刊》說。這說明，相比光滑的平面，粗糙質(zhì)地的材料更具吸水性。

于是，研究員們改進(jìn)了仿生材料，在3D打印出的聚合物上覆蓋一層薄薄的鋁膜，使它擁有著類似甲殼蟲背部的特殊幾何構(gòu)造。正是這種構(gòu)造，加速了空氣中的水汽凝結(jié)速度，也讓仿生材料的吸水量提高了一個(gè)量級(jí)。

過去100年內(nèi)，全球人口增加了3倍，人類對(duì)水資源的需求量增加了6倍。目前，全球有10億人口缺乏飲用水，而到2025年，缺水人口預(yù)計(jì)將達(dá)到全球人口總數(shù)的 60%。

事實(shí)上，人類一直在開拓獲取淡水資源的途徑。但無論是海水淡化還是水資源回收利用，都由于成本高昂或操作性不強(qiáng)等原因未能普及。

解決方法可能就存在于空氣中。這里集結(jié)著12.9萬億噸氣態(tài)水。只要吸取其中1%的水量，就能滿足全球家庭120天的用水量—空氣可能成為未來人類生活用水的重要“水源”。

我們可以輕易地利用地表水資源，但要“抓住”蒸發(fā)在空氣中的水資源卻不容易。它們中的一部分會(huì)變成雨雪落回地面，更大一部分則流向海洋，其中一些則會(huì)在落地之前蒸發(fā)。很多不具備降水條件的地方，并不意味著空氣中沒有足夠的水。哈佛研究的仿生材料，目的就在于收集流失在空氣中的這些水資源，通過人工的參與，更加均衡地分配它們。

除了具備從空氣中取水的功能，這種仿生材料更重要的一個(gè)特點(diǎn)是，它還具備運(yùn)輸功能，這是該材料可能投入應(yīng)用的關(guān)鍵，也是整個(gè)研究過程中的最大難點(diǎn)。

仿生材料的突起形態(tài)、彎曲程度、橫截面形狀以及表面濕度，都會(huì)對(duì)取水和輸水過程有影響。為了減少水滴在運(yùn)輸過程中的損耗，Wyss和SEAS研發(fā)了一種叫SLIPS的技術(shù)（Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces）。就好像在材料粗糙的表面涂了一層潤(rùn)滑劑，這種技術(shù)不僅能讓仿生材料表面的摩擦力近乎為零，還能起到導(dǎo)流作用，讓水滴在材料中有方向地流動(dòng)。“仙人掌的內(nèi)部有著值得我們學(xué)習(xí)的復(fù)雜輸水網(wǎng)絡(luò)，此外，SLIPS技術(shù)的靈感還來源于豬籠草體內(nèi)涂滿黏液的光滑表面?！盞yoo-Chul Park說。

即使在最干旱的環(huán)境下，仿生材料也能在不影響當(dāng)?shù)刈匀簧鷳B(tài)環(huán)境的前提下，完成從空氣中取水的任務(wù)。比如撒哈拉沙漠地區(qū)，根據(jù)Kyoo-Chul Park團(tuán)隊(duì)成員的研究，那里年平均氣溫為30攝氏度，平均相對(duì)濕度為25%。正常氣壓下，每立方米的空氣中含有8克水。這意味著，在一個(gè)普通房間大小的空間內(nèi)，存在16升氣態(tài)水。這些水能夠滿足兩個(gè)人一天的飲水需求。

美國(guó)的SunToWater技術(shù)公司也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。這家公司主要研究制造出能從空氣中取水的裝置。2015年，為了應(yīng)對(duì)加利福尼亞的干旱環(huán)境，該公司研發(fā)了3套設(shè)備，用于解決供水問題。其裝置在相對(duì)濕度只有14%的極度干旱條件下也能工作。有趣的是，SunToWater團(tuán)隊(duì)也是從一種沙漠生物—蜘蛛身上獲得的靈感。

空氣中的水氣經(jīng)過裝置的冷凝、凈化作用后，可以直接達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。這將大大降低飲料公司和餐廳的用水成本。而水蒸氣凝結(jié)過程中釋放出的大量熱能，也是一種新的能源。這些能源可以應(yīng)用于火電廠冷凝器，空調(diào)系統(tǒng)以及蒸餾塔，為工業(yè)生產(chǎn)提供高效的傳熱設(shè)備。

Wyss和SEAS已經(jīng)就該技術(shù)提出專利申請(qǐng)，不過在投入市場(chǎng)之前，還需要經(jīng)過大量試驗(yàn)。SunToWater公司的設(shè)備也還未大規(guī)模投入使用。

阻礙空氣變水技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)的最大問題是還是成本?！懊刻崛?升水，需要花費(fèi)1美分，這甚至比海水淡化還要昂貴?！盨unToWater創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Benjamin Blumenthal說。如果大規(guī)模使用則需要鋪設(shè)管道和動(dòng)力等一系列配套裝置，總造價(jià)將高達(dá)數(shù)十億美元。除非市場(chǎng)需求足夠大，產(chǎn)量能拉低平均成本，否則如此巨大的成本投入，不是一般公司所能夠承受的。

無論如何，從空氣中取水的研究為水源問題提供了一種新的可能性。Kyoo-Chul Park和他的研究團(tuán)隊(duì)相信，空氣取水材料未來會(huì)有很多應(yīng)用空間?！拔覀冋鸵恍┕竟餐芯窟@種仿生材料的潛力，還有許多市場(chǎng)研究需要做?！倍鴮⑺麄兊姆律牧蠎?yīng)用在SunToWater公司的集水設(shè)備上，就是一個(gè)不錯(cuò)的主意。