無中生水成為現實：諾獎得主用MOF實現空氣取水

（圖源：麻省理工科技評論）

奧馬爾·亞吉（Omar Yaghi）小時候很安靜，勤奮，也不太和九個兄弟姐妹打鬧嬉戲。等他年紀大到可以分擔家務時，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里大多數家庭一樣，亞吉家沒有電，也沒有自來水。城市至少每兩周會給當地水龍頭通水一次，但通常只有幾個小時，居民得抓緊時間把自家水箱裝滿。年幼的奧馬爾就負責把家里的水儲備補滿。幾十年后，他說自己想不起來有哪一次去晚了。因為他害怕讓父母、七個兄弟和兩個姐妹渴著，這種恐懼讓他始終守時。

亞吉可靠到什么程度？他父親甚至讓他負責監測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境里養大的，這并不容易。

但在 10 歲那年，亞吉發現了另一種“職業”。為了躲開課間休息時喧鬧的人群，他發現學校圖書館的門沒上鎖，便溜了進去。他隨手翻起一本化學教材，看見一幅他當時看不懂的圖：一些小球被棍狀結構連接成奇妙的形狀。那是組成萬物的基本單元，分子。

“我當時不知道那是什么，但它抓住了我的注意力，”亞吉說。“我一直想弄明白它們到底是什么。”

這就是他發現化學的方式，或者說，是化學找到了他。來到美國、最終進入哈佛大學做博士后，亞吉把整個職業生涯都投入到一件事上：為那些“小棍”和“小球”找到能夠構造出全新、迷人形狀的方法。2025 年 10 月，他因識別并提出金屬有機框架（metal-organic frameworks，簡稱 MOFs）而獲得諾貝爾化學獎（與另外兩位科學家共同獲獎）。MOFs 是由金屬離子與有機分子系縛在一起，形成重復結構景觀的材料。如今，這項工作又成為一個聽起來像科幻、甚至像奇跡的新項目的基礎：從無形空氣中“變”出水來。

剛開始研究 MOFs 時，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，解決這種對氣候更友好但難以儲存的燃料所面臨的棘手難題。但在 2014 年，亞吉在加州大學伯克利分校（UC Berkeley）的團隊突然靈光一現。MOFs 內部那些微小孔隙可以被設計成：材料像海綿一樣從周圍空氣中抓取水分子，然后只需要一點點熱量，就能像把海綿擰干一樣把水釋放出來。一克可吸水的 MOF，其內部表面積大約可達 7,000 平方米。

亞吉并不是第一個嘗試從大氣中提取可飲用水的人。但與競爭對手相比，他的方法可以在更低的濕度水平下工作。這可能會撼動一個規模很小、剛剛起步的行業，而這個行業在未來數十年“更渴”的人類社會中，或許會變得至關重要。如今，他創立的公司 Atoco 正在加速展示兩臺機器：亞吉相信，它們幾乎可以在地球任何地方生產干凈、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一直在努力的目標；而他那種近乎固執的決心，來自他小時候在父親肉鋪里做家務時學到的東西。

“就是在那家肉鋪里，我學會了怎么把事情做到最好，怎么建立職業操守，”他說。“我學到的是：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、阿聯酋這樣的技術先進沙漠國家，淡化海水的脫鹽工廠提供了主要的可飲用水來源，但代價高昂。脫鹽設施要么通過加熱蒸餾提取可飲用的部分，要么使用鹽分無法通過的膜進行過濾；兩種方法都耗能巨大，并會留下高濃度鹽鹵。通常，脫鹽泵會把鹽鹵排回海洋，造成嚴重的生態破壞。

今年早些時候，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。我的腦海當然立刻跳到《星球大戰》：盧克·天行者在干旱星球塔圖因（Tatooine）上經營家族的“水汽農場”，用“蒸汽收集器（vaporators）”從空氣里提水。（其他科幻迷也許會想到《沙丘》，以及弗雷曼人的集水技術。）這真的可能嗎？

事實證明，人類做這件事已經有幾千年了。從霧中取水的考古證據最早可追溯到公元前 5000 年。古希臘人會收集露水；大約 500 年前，印加人也會在樹下架起網與桶來匯集水分。

行業分析師稱，如今“從空氣取水”已經是一門價值數十億美元的生意，而且在未來五年內有望再增加數十億美元的規模。部分原因是，傳統淡水來源正陷入危機。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。干旱不斷刷新紀錄。海平面上升導致海水滲入地下含水層，而這些含水層本就因農業和城市擴張而被過度開采。老化的化糞池把細菌滲入水體；致癌的“永久化學品（forever chemicals）”正在造成美國政府問責局（US Government Accountability Office）去年所說的“可能是自鉛污染以來最大的水問題”。這還沒算上微塑料正在引發的新災難。

因此，很多地方開始轉向大氣取水。以色列公司 Watergen 從事這項技術，最初計劃把產品部署到世界上更干旱、更貧窮的地區。但結果是，歐洲和美國的買家反而找上門，把它當作確保潔凈水供應的一種方式。Watergen 最大的市場之一甚至是富裕的阿聯酋。Watergen 市場副總裁安娜·切爾尼亞夫斯基（Anna Chernyavsky）說：“你說‘水危機’，不僅僅是缺水，還包括能否獲得高質量的水。”

換句話說，德州大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）的機械工程師虞桂華（Guihua Yu）表示，這項技術“已經從實驗室原型演進為強健、可在現場部署的系統”。他說：“在系統層面，產能與能效仍有提升空間，但整體進展一直穩定且令人鼓舞。”

MOFs 只是這一思路的最新路徑。第一代商業技術依賴壓縮機與制冷劑——本質上就是你家廚房冰箱的放大版。它們都需要用電，并通過一堆管道與換熱器，讓某種化學物質在氣體與液體之間相變來制造低溫；冰箱要盡量減少凝結，而取水機基本上是要盡量促進凝結。

Watergen 的技術就是這么運作的：使用壓縮機與換熱器，在低至 20% 的濕度條件下從空氣中“擰”出水來——相當于春季的死亡谷（Death Valley）。切爾尼亞夫斯基說：“我們說的是沙漠。低于 20%，你會流鼻血。”

但這可能仍然不夠。猶他大學（University of Utah）研究大氣取水的機械工程師薩米爾·拉奧（Sameer Rao）說：“當相對濕度高于某個水平時，制冷方案效果相當不錯。但環境越干燥、相對濕度越低，它就會變得越來越難。在某些情況下，基于制冷的系統實際上根本不可能工作。”

因此，第二波技術找到了市場。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，類似維生素瓶里常見的硅膠干燥包——先把水分吸進來，再在加熱時釋放出來。理論上，干燥劑方案的優勢在于：它可以在更低濕度下吸水；并且由于不需要運行冷凝系統，前端耗能更低。Source Global 聲稱，它的離網、太陽能供電系統已部署到數十個國家。

但這兩類技術仍然需要大量能量：要么用于驅動換熱器，要么用于產生足夠熱量，讓水從干燥劑中釋放出來。亞吉希望 MOFs 不需要這樣。現在，Atoco 正試圖證明這一點。與其用換熱器把空氣溫度降到露點、或用干燥劑從大氣中吸引水分，系統可以依靠專門設計的 MOFs 來吸附水分子。Atoco 的原型機使用一種看起來像爽身粉的 MOF，并把它固定在類似玻璃的表面上。MOF 的孔隙會自然吸入水分子，但孔道仍保持開放，使得理論上只需要直射陽光帶來的那點熱量，就能把水排出。Atoco 的工業級設計會用電來加速這一過程，但公司也在開發第二種設計，目標是完全離網運行、無需任何能量輸入。

想用 MOFs 做取水的并不只有亞吉的 Atoco。競爭對手 AirJoule 已在德州和阿聯酋推出基于 MOF 的大氣取水設備，并與亞利桑那州立大學（Arizona State University）的研究人員合作，計劃在未來幾個月部署更多設備。這家公司最初的方向是為在炎熱潮濕城市街道上運行的電動公交打造更高效的空調系統。但后來，創始人馬特·喬爾（Matt Jore）聽說美國政府正在推進從空氣取水的努力，于是果斷轉向。這家初創公司的股價有些過山車式波動，但喬爾說，市場規模之大足以讓他繼續做下去。以馬里科帕縣（Maricopa County，涵蓋鳳凰城及周邊地區）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 億加侖來自河流等地表水源。

“所以，一天就是幾十億加侖，對吧？”喬爾對我說。“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，空氣中的水‘流入量’每天就大約有 250 億加侖，”他說。“如果你能把它利用起來，那就是你的水源。而且它不會消失。全世界到處都是。我們把大氣看作世界免費的輸水管道。”

除了 AirJoule 相對 Atoco 的先發優勢外，兩家公司在 MOFs 的來源上也不同。AirJoule 的系統依賴一種現成版本，由公司向化工巨頭巴斯夫（BASF）采購；而 Atoco 則希望發揮亞吉在新材料設計上的能力，為不同應用與地點量身定制專用 MOFs。

Atoco 商務拓展副總裁馬格努斯·巴赫（Magnus Bach）說：“考慮到我們擁有這一整類材料的發明者，并且能夠利用他在伯克利實驗室里產出的成果——在其他條件相同的情況下，我們有一個很好的起點去工程化出可能是世界上最好的材料。”

亞吉設想的產品線是雙線并行。一端是用電的工業級取水機，日產量可達數千升；另一端是依靠被動系統運行的設備，可以在偏遠、無電地區工作，只利用陽光與環境溫度提供的能量。理論上，這類設備未來甚至可能替代海水淡化，乃至替代整套城市供水系統。下一輪野外測試計劃于 2026 年初在莫哈韋沙漠（Mojave Desert）進行——那是地球上最炎熱、最干燥的地方之一。

“那就是我的夢想，”亞吉說。“讓人們擁有用水獨立性，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，能在市政公用系統之外運行。像屋頂太陽能板和家用電池那樣的家用設備，或許能讓家庭在離網情況下自行生產用水。

不過，如果沒有規模效應來降低成本，這會很棘手。切爾尼亞夫斯基說：“你要在同一個地方完成制水、降溫、過濾——全都要做。所以要把它做得很小，非常、非常難。”

盡管困難重重，亞吉的童年經歷卻讓他對“離網的自由”有著特別深的體會，把水這種基本必需品從那些決定人們何時、以何種方式獲得水的系統的喜怒無常中解放出來。

“那真的是我的夢想，”他說。“給人們用水獨立性，讓他們不必依賴他人來維系生計或生命。”

在我們的一次對話快結束時，我問亞吉：如果可以，他會對年少的自己說些什么？他說：“就水壓力的影響而言，約旦是最糟糕的國家之一。”他表示，自己會說：“繼續保持勤奮與敏銳觀察。你追求什么其實沒那么重要，只要你有熱情就行。”

我追問得更具體一些：“你覺得當你把這項技術講給他聽時，他會怎么說？”

亞吉笑了：“我覺得年幼的奧馬爾會覺得你在耍他，覺得這都是虛構的，而且你想從他那里騙走點什么。”換句話說，這樣的現實會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/