在南加州仓库的实验室里，科学家恒苏（Heng Su）揭开了可能改变世界解决全球水危机的方案。这个手持小物件看起来并不起眼，由堆叠的白色散热片组成，类似于微型老式公寓暖气片。但当苏把它放在秤上时，它会在几秒钟内默默增加重量。随着时间流逝，它会变得越来越重。这是因为这个装置在无形中从周围的空气中收集水分子。
几英尺外，四个水收集器被安置在一个形状像透明鸟舍的塑料外壳内。里面的暖空气将水分子从收集器中分离出来，冷凝器将水蒸气转化为液体，然后滴入烧杯中。这项名为金属有机骨架 (MOF)的技术不需要电力，仅靠周围的阳光就能产生水。这是总部位于尔湾的初创公司Atoco的愿景，旨在为日益干旱的世界提供水。
这是一个实验室原型，设计为仅生产几毫升水，科学家们正在努力完善这项技术。该公司计划建造一个全尺寸的商业版本，每天可以为一个社区生产数千升超纯水。一个家用空调大小的设备可以为您的家庭供水。
奥马尔·亚吉 (Omar Yaghi)表示：“无论湿度如何，你可以在世界任何地方、一年中的任何时候从空气中获取水，而且不会产生碳足迹。”他于 2021 年创立了 Atoco，也是加州大学伯克利分校的化学教授，也是 MOF 的先驱。
根据联合国 2024 年的一项分析，全球一半人口面临水资源短缺，25% 的人口面临极高的用水压力。6月份的一份报告发现，即使是在加州这样一个拥有世界第五大经济体的富裕地区，也有近一百万居民无法获得清洁饮用水。
与此同时，气候变化引发的热浪和干旱加剧了世界各地的水资源短缺问题，无论贫富，都难逃其咎，而更强烈、更频繁的风暴可能会导致水处理厂下线。
该公司计划建造一个全面的商业版本，每天可以为社区生产数千升超纯水。
但即便是最干燥的天空也含有水。美国地质调查局估计，大气中含有 12,900 立方公里的水，约占世界湖泊水量的 14%。MOF 提供了一种独特的方法来获取其中的部分水。
就像《神秘博士》中的 Tardis一样，这种材料的内部更大。一克 MOF 的表面积可以达到一个足球场的面积。Atoco 首席执行官萨默·塔哈 (Samer Taha) 说，想象一下，你拿一张纸，尽可能地揉皱它。现在它只有原来大小的一小部分，但在折叠处仍保持相同的表面积。
Atoco 公司正在分子层面上进行研究，设计出充满多孔腔体的纳米级晶体结构。其 MOF 由能够吸引特定分子（如 H2O）的元素制成。
该公司开始在总部主实验室外的一个小房间里制作 MOF。在那里，琥珀色液体在烧杯中沸腾，旁边是一台离心机，离心机将液体分解成细粉。
在这里，化学家们正在制造有机“连接”分子，它们连接金属分子，为 MOF 的晶体结构提供稳定性。无机分子形成空腔，作为从大气中吸取的 H2O 分子的微型水箱。
第一批附着在空腔内部的水分子成为其他分子结合的“种子”。
MOF 主要由碳、氮、氢、铜和铝等常见元素制成。但 Taha 表示，Atoco 所需的某些特殊分子可能由于稀缺而价格昂贵，因此其科学家正在努力在内部合成这些分子，以降低成本。在相邻的房间里，地板上放着几个桶。资深科学家 Jacob Kanady 打开了一个桶的盖子，里面装满了由相同纳米级晶体结构制成的白色粉末。加入粘合剂后，粉末会凝固，因此可以制成实验室水收集器的鳍片。
从大气中获取水的传统方法依赖于冷却空气直到水蒸气液化，这个过程会消耗大量电力。在低湿度环境中，这种方法也不太有效。另一种在干旱地区生产水的方法，海水淡化需要大量能源，影响海洋生物，并留下盐水废物。
MOF 避开了这些障碍，无需或仅需少量电力即可现场生产纯净水。在 Yaghi 看来，它们是一项变革性技术。“这是人类历史上第一次可以在原子和分子水平上修改材料，并且可以精确设计它们以适合特定应用，”他说。
其他初创公司正在开发用于大气水收集的 MOF。不过，Atoco 有一个优势：Yaghi 开发了这种材料，并在从事网状化学领域的工作时不断完善它。“Yaghi 教授在过去十年中取得的进步让我们领先于竞争对手，”Taha 说。他拒绝透露 Atoco 何时会将其技术推向市场，但指出“时间不远了”。
芝加哥大学化学与分子工程学教授劳拉·加利亚尔迪 (Laura Gagliardi) 与亚吉合作，她表示，阿托科及其竞争对手面临的挑战是开发经济高效的工艺来大规模生产 MOF。阿托科拒绝就大规模生产 MOF 的价格发表评论，但表示该公司正在努力实现每升 1 美分或更低的成本来收集水。
2022 年 8 月，Yaghi 和加州大学伯克利分校的同事在加州死亡谷国家公园测试了手持式水收集器的原型，该公园是地球上最热、最干燥的地方之一。
“我和这些人一起工作了很长时间，知道这项技术非常有效，而且已经在现场得到了证明，”加利亚尔迪说。
2022 年 8 月，亚吉和加州大学伯克利分校的同事在加州死亡谷国家公园测试了手持式水收集器的原型，该公园是地球上最热、最干燥的地方之一。夜间，收集器从大气中吸收水分子。白天，阳光使收集器变暖，然后冷凝器将水蒸气液化，水分子被释放出来。根据科学家 2023 年发表在《自然水》杂志上的一篇论文，在地面温度达到 60 摄氏度 (140 华氏度) 、平均湿度为 14% 的情况下，收集器每天可产生 4 盎司 (118 毫升) 至 7 盎司 (207 毫升) 的水。虽然这远远不足以满足普通人的日常需求，但它说明了这项技术的前景。
从空气中获取水可能会改变世界上日益干旱和贫困的地区，因为这些地区无法进行海水淡化，而传统的大气水收集由于湿度低而无效。传统的收集器还会收集空气污染物和水蒸气，因此需要额外花费净化所收集的水。
另一方面，MOF 经过精心设计，仅能捕获 H2O 分子，过滤掉污染物，并产生不含纳米塑料、PFAS 化学品和其他有毒物质的水。
“最初，我们集中所有精力解决水资源短缺问题，并尝试在干旱条件下开展业务，这实际上是我们的竞争优势，因为我们即使在干旱条件下也可以收集水，而其他人则不能，”塔哈说。
Atoco 正在设计仅需阳光即可运行或可由可再生能源供电的水收集器。这样，收集器便可在没有阳光时运行，并可利用风扇将更多分子吸入 MOF，从而在此过程中产生更多水。
美国军方通过建立大气水提取计划来推动此类努力。2020 年，国防高级研究计划局向通用电气公司提供了1400 万美元的资助，用于开发可为部队供水的 MOF 技术，通用电气公司聘请 Yaghi 和 Gagliardi 为该项目提供建议和工作。
“GE 现在向 DARPA 提供的电气化设备每天仅使用两公斤 MOF 就能输送 22 升水，”Gagliardi 说道。“所以我认为这一切都很有前景。”
今年 3 月，通用电气能源业务的子公司GE Verona宣布与初创公司 Montana Technologies 成立合资企业AirJoule，以将该技术商业化。AirJoule 开发了一种 MOF 大气收集器，它还通过蒸发冷却提供节能空调。AirJoule 的创新之一是利用 MOF 吸附 H2O 分子产生的热量来提取它们进行冷凝。专有的真空压缩机和冷凝器将水蒸气转化为液体。
蒙大拿技术公司首席执行官马特·乔尔表示，AirJoule 大气收集技术有两大潜在市场：美国军方，目前必须用卡车将水运送到部署在偏远地区的部队；以及迅速扩张的数据中心，这些数据中心需要消耗大量的水和电来冷却，并已成为干旱地区的焦点。
他说： “数据中心因为耗水量问题而无法获得许可，因此我们有巨大的机会。”
Jore 表示，其使用的 MOF 成本已从每公斤 5,000 美元降至每公斤不到 50 美元。该公司已制造出该机器的预生产模型，并打算在 2025 年开始为空调市场生产该设备。
虽然 AirJoule 将特定行业视为潜在客户，但 Atoco 的 Taha 却想得更远大。他说，市场是“想要获得持续、稳定和纯净的水供应，并且不想依赖政府供水的任何人”。