诺奖MOF材料实现空气取水：无水可生的现实突破

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2026-01-04

（图源：麻省理工科技评论）

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奥马尔·亚吉（Omar Yaghi）小时候很安静，勤奋，也不太和九个兄弟姐妹打闹嬉戏。等他年纪大到可以分担家务时，父母自然而然地把家里最重要的活之一交给了他：去打水。和约旦安曼（Amman）那片巴勒斯坦人聚居的社区里大多数家庭一样，亚吉家没有电，也没有自来水。城市至少每两周会给当地水龙头通水一次，但通常只有几个小时，居民得抓紧时间把自家水箱装满。年幼的奥马尔就负责把家里的水储备补满。几十年后，他说自己想不起来有哪一次去晚了。因为他害怕让父母、七个兄弟和两个姐妹渴着，这种恐惧让他始终守时。

亚吉可靠到什么程度？他父亲甚至让他负责监测那些将被送去自家肉铺的牛吃了多少、喝了多少。要想出最好的肉，牛必须喂得足、喝得够——但它们是在干旱的沙漠环境里养大的，这并不容易。

但在 10 岁那年，亚吉发现了另一种“职业”。为了躲开课间休息时喧闹的人群，他发现学校图书馆的门没上锁，便溜了进去。他随手翻起一本化学教材，看见一幅他当时看不懂的图：一些小球被棍状结构连接成奇妙的形状。那是组成万物的基本单元，分子。

“我当时不知道那是什么，但它抓住了我的注意力，”亚吉说。“我一直想弄明白它们到底是什么。”

这就是他发现化学的方式，或者说，是化学找到了他。来到美国、最终进入哈佛大学做博士后，亚吉把整个职业生涯都投入到一件事上：为那些“小棍”和“小球”找到能够构造出全新、迷人形状的方法。2025 年 10 月，他因识别并提出金属有机框架（metal-organic frameworks，简称 MOFs）而获得诺贝尔化学奖（与另外两位科学家共同获奖）。MOFs 是由金属离子与有机分子系缚在一起，形成重复结构景观的材料。如今，这项工作又成为一个听起来像科幻、甚至像奇迹的新项目的基础：从无形空气中“变”出水来。

刚开始研究 MOFs 时，亚吉以为它们可以吸收破坏气候的二氧化碳，或许还能“装下”氢分子，解决这种对气候更友好但难以储存的燃料所面临的棘手难题。但在 2014 年，亚吉在加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的团队突然灵光一现。MOFs 内部那些微小孔隙可以被设计成：材料像海绵一样从周围空气中抓取水分子，然后只需要一点点热量，就能像把海绵拧干一样把水释放出来。一克可吸水的 MOF，其内部表面积大约可达 7,000 平方米。

亚吉并不是第一个尝试从大气中提取可饮用水的人。但与竞争对手相比，他的方法可以在更低的湿度水平下工作。这可能会撼动一个规模很小、刚刚起步的行业，而这个行业在未来数十年“更渴”的人类社会中，或许会变得至关重要。如今，他创立的公司 Atoco 正在加速展示两台机器：亚吉相信，它们几乎可以在地球任何地方生产干净、新鲜、可饮用的水，甚至不需要接入能源供给。

这就是亚吉十多年来一直在努力的目标；而他那种近乎固执的决心，来自他小时候在父亲肉铺里做家务时学到的东西。

“就是在那家肉铺里，我学会了怎么把事情做到最好，怎么建立职业操守，”他说。“我学到的是：一件工作只有做到位才算完成。除非你能把它做完，要么就干脆别开始。”

地球表面大部分被水覆盖，但其中只有 3% 是所有陆地生命赖以生存的淡水。如今，在以色列、阿联酋这样的技术先进沙漠国家，淡化海水的脱盐工厂提供了主要的可饮用水来源，但代价高昂。脱盐设施要么通过加热蒸馏提取可饮用的部分，要么使用盐分无法通过的膜进行过滤；两种方法都耗能巨大，并会留下高浓度盐卤。通常，脱盐泵会把盐卤排回海洋，造成严重的生态破坏。

今年早些时候，我在和 Atoco 的高管聊二氧化碳捕集，他们提到了从大气中“收集”水的可能性。我的脑海当然立刻跳到《星球大战》：卢克·天行者在干旱星球塔图因（Tatooine）上经营家族的“水汽农场”，用“蒸汽收集器（vaporators）”从空气里提水。（其他科幻迷也许会想到《沙丘》，以及弗雷曼人的集水技术。）这真的可能吗？

事实证明，人类做这件事已经有几千年了。从雾中取水的考古证据最早可追溯到公元前 5000 年。古希腊人会收集露水；大约 500 年前，印加人也会在树下架起网与桶来汇集水分。

行业分析师称，如今“从空气取水”已经是一门价值数十亿美元的生意，而且在未来五年内有望再增加数十亿美元的规模。部分原因是，传统淡水来源正陷入危机。更热的冬季使山地降雪减少，春季融雪水就更少，下游可用水也随之减少。干旱不断刷新纪录。海平面上升导致海水渗入地下含水层，而这些含水层本就因农业和城市扩张而被过度开采。老化的化粪池把细菌渗入水体；致癌的“永久化学品（forever chemicals）”正在造成美国政府问责局（US Government Accountability Office）去年所说的“可能是自铅污染以来最大的水问题”。这还没算上微塑料正在引发的新灾难。

因此，很多地方开始转向大气取水。以色列公司 Watergen 从事这项技术，最初计划把产品部署到世界上更干旱、更贫穷的地区。但结果是，欧洲和美国的买家反而找上门，把它当作确保洁净水供应的一种方式。Watergen 最大的市场之一甚至是富裕的阿联酋。Watergen 市场副总裁安娜·切尔尼亚夫斯基（Anna Chernyavsky）说：“你说‘水危机’，不仅仅是缺水，还包括能否获得高质量的水。”

换句话说，德州大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的机械工程师虞桂华（Guihua Yu）表示，这项技术“已经从实验室原型演进为强健、可在现场部署的系统”。他说：“在系统层面，产能与能效仍有提升空间，但整体进展一直稳定且令人鼓舞。”

MOFs 只是这一思路的最新路径。第一代商业技术依赖压缩机与制冷剂——本质上就是你家厨房冰箱的放大版。它们都需要用电，并通过一堆管道与换热器，让某种化学物质在气体与液体之间相变来制造低温；冰箱要尽量减少凝结，而取水机基本上是要尽量促进凝结。

Watergen 的技术就是这么运作的：使用压缩机与换热器，在低至 20% 的湿度条件下从空气中“拧”出水来——相当于春季的死亡谷（Death Valley）。切尔尼亚夫斯基说：“我们说的是沙漠。低于 20%，你会流鼻血。”

但这可能仍然不够。犹他大学（University of Utah）研究大气取水的机械工程师萨米尔·拉奥（Sameer Rao）说：“当相对湿度高于某个水平时，制冷方案效果相当不错。但环境越干燥、相对湿度越低，它就会变得越来越难。在某些情况下，基于制冷的系统实际上根本不可能工作。”

因此，第二波技术找到了市场。像 Source Global 这样的公司使用干燥剂（desiccants）——也就是能从空气中吸湿的物质，类似维生素瓶里常见的硅胶干燥包——先把水分吸进来，再在加热时释放出来。理论上，干燥剂方案的优势在于：它可以在更低湿度下吸水；并且由于不需要运行冷凝系统，前端耗能更低。Source Global 声称，它的离网、太阳能供电系统已部署到数十个国家。

但这两类技术仍然需要大量能量：要么用于驱动换热器，要么用于产生足够热量，让水从干燥剂中释放出来。亚吉希望 MOFs 不需要这样。现在，Atoco 正试图证明这一点。与其用换热器把空气温度降到露点、或用干燥剂从大气中吸引水分，系统可以依靠专门设计的 MOFs 来吸附水分子。Atoco 的原型机使用一种看起来像爽身粉的 MOF，并把它固定在类似玻璃的表面上。MOF 的孔隙会自然吸入水分子，但孔道仍保持开放，使得理论上只需要直射阳光带来的那点热量，就能把水排出。Atoco 的工业级设计会用电来加速这一过程，但公司也在开发第二种设计，目标是完全离网运行、无需任何能量输入。

想用 MOFs 做取水的并不只有亚吉的 Atoco。竞争对手 AirJoule 已在德州和阿联酋推出基于 MOF 的大气取水设备，并与亚利桑那州立大学（Arizona State University）的研究人员合作，计划在未来几个月部署更多设备。这家公司最初的方向是为在炎热潮湿城市街道上运行的电动公交打造更高效的空调系统。但后来，创始人马特·乔尔（Matt Jore）听说美国政府正在推进从空气取水的努力，于是果断转向。这家初创公司的股价有些过山车式波动，但乔尔说，市场规模之大足以让他继续做下去。以马里科帕县（Maricopa County，涵盖凤凰城及周边地区）为例：它每天从不断缩小的地下含水层抽取 12 亿加仑水，另有 8.74 亿加仑来自河流等地表水源。

“所以，一天就是几十亿加仑，对吧？”乔尔对我说。“你知道大气里每天有多少水‘流入量’吗？250 亿加仑。”

我眉毛一挑：“全球范围？”

“仅仅是大凤凰城地区，空气中的水‘流入量’每天就大约有 250 亿加仑，”他说。“如果你能把它利用起来，那就是你的水源。而且它不会消失。全世界到处都是。我们把大气看作世界免费的输水管道。”

除了 AirJoule 相对 Atoco 的先发优势外，两家公司在 MOFs 的来源上也不同。AirJoule 的系统依赖一种现成版本，由公司向化工巨头巴斯夫（BASF）采购；而 Atoco 则希望发挥亚吉在新材料设计上的能力，为不同应用与地点量身定制专用 MOFs。

Atoco 商务拓展副总裁马格努斯·巴赫（Magnus Bach）说：“考虑到我们拥有这一整类材料的发明者，并且能够利用他在伯克利实验室里产出的成果——在其他条件相同的情况下，我们有一个很好的起点去工程化出可能是世界上最好的材料。”

亚吉设想的产品线是双线并行。一端是用电的工业级取水机，日产量可达数千升；另一端是依靠被动系统运行的设备，可以在偏远、无电地区工作，只利用阳光与环境温度提供的能量。理论上，这类设备未来甚至可能替代海水淡化，乃至替代整套城市供水系统。下一轮野外测试计划于 2026 年初在莫哈韦沙漠（Mojave Desert）进行——那是地球上最炎热、最干燥的地方之一。

“那就是我的梦想，”亚吉说。“让人们拥有用水独立性，这样他们的生活就不必依赖别人。”

亚吉和 Watergen 的切尔尼亚夫斯基都表示，他们也在考虑更去中心化的版本，能在市政公用系统之外运行。像屋顶太阳能板和家用电池那样的家用设备，或许能让家庭在离网情况下自行生产用水。

不过，如果没有规模效应来降低成本，这会很棘手。切尔尼亚夫斯基说：“你要在同一个地方完成制水、降温、过滤——全都要做。所以要把它做得很小，非常、非常难。”

尽管困难重重，亚吉的童年经历却让他对“离网的自由”有着特别深的体会，把水这种基本必需品从那些决定人们何时、以何种方式获得水的系统的喜怒无常中解放出来。

“那真的是我的梦想，”他说。“给人们用水独立性，让他们不必依赖他人来维系生计或生命。”

在我们的一次对话快结束时，我问亚吉：如果可以，他会对年少的自己说些什么？他说：“就水压力的影响而言，约旦是最糟糕的国家之一。”他表示，自己会说：“继续保持勤奋与敏锐观察。你追求什么其实没那么重要，只要你有热情就行。”

我追问得更具体一些：“你觉得当你把这项技术讲给他听时，他会怎么说？”

亚吉笑了：“我觉得年幼的奥马尔会觉得你在耍他，觉得这都是虚构的，而且你想从他那里骗走点什么。”换句话说，这样的现实会超出年幼奥马尔最天马行空的想象。

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

来源:https://www.163.com/dy/article/KIEHOO3O05119734.html

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