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        仙人掌能吸取空氣水分,人類能創造新的水源嗎?

        大自然是人類的母親,她教會人類運用機械來減少人力的勞苦。當然,不勞而獲是不可能的,關鍵在于悟性!

        看到草帽飛跑,人們想到制作車輪;看到蜻蜓和小鳥展翅高飛,人們發明了飛機;只要密切觀察大自然的各種生物現象,就能找到豐富的靈感,來為人類社會制造奇跡!

        一些生活在沙漠中的生物,能夠依靠獨特的身體結構吸收空氣中的水分?,F在,人類也在學著這么做了。

        空氣取水

        飲用水來自哪里?中學地理課上曾講過水循環:自然界中的水在太陽能的作用下,以不同形態在海洋、天空和陸地之間存在并流動著,而飲用水大多都是通過凈化地表水獲得的。不過,哈佛大學的研究團隊給出了一個新的答案:空氣。

        一些生活在沙漠中的生物,能夠依靠獨特的身體結構吸收空氣中的水分,以此滿足基本的生存需要。來自哈佛大學Wyss生物工程研究院(下簡稱“Wyss”)的研究員們,就從這些動物身上獲得了靈感。通過研究沙漠甲殼蟲、仙人掌和豬籠草的生物特征,他們聯合哈佛大學工程與應用科學學院(下簡稱“SEAS”),共同研發了一種能從空氣中收集水并實現運輸存儲的仿生材料。

        對生物工程研究院的研究者來說,從空氣中取水其實并不是一個新課題。Wyss和SEAS對此的研究始于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的一面常常有霧氣的原理相似。德國不來梅大學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。如何在短時間內收集到足夠多的水,Wyss和SEAS研究的仿生材料試圖解決的就是這個問題。

        仿生材料采用的是光滑多孔的表面。研究團隊認為,光滑表面可以減少摩擦力,有助于水滴凝結和流動。然而實驗結果卻表明,隨著水量逐漸增多,水滴會在光滑表面粘連,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稱的V形掌刺?!盬yss研究員Kyoo-ChulPark對《第一財經周刊》說。這說明,相比光滑的平面,粗糙質地的材料更具吸水性。

        于是,研究員們改進了仿生材料,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造。正是這種構造,加速了空氣中的水汽凝結速度,也讓仿生材料的吸水量提高了一個量級。

        過去100年內,全球人口增加了3倍,人類對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,缺水人口預計將達到全球人口總數的?60%。

        事實上,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等原因未能普及。

        解決方法可能就存在于空氣中。這里集結著12.9萬億噸氣態水。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”蒸發在空氣中的水資源卻不容易。它們中的一部分會變成雨雪落回地面,更大一部分則流向海洋,其中一些則會在落地之前蒸發。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特點是,它還具備運輸功能,這是該材料可能投入應用的關鍵,也是整個研究過程中的難點。

        仿生材料的突起形態、彎曲程度、橫截面形狀以及表面濕度,都會對取水和輸水過程有影響。為了減少水滴在運輸過程中的損耗,Wyss和SEAS研發了一種叫SLIPS的技術(SlipperyLiquid-InfusedPorousSurfaces)。就好像在材料粗糙的表面涂了一層潤滑劑,這種技術不僅能讓仿生材料表面的摩擦力近乎為零,還能起到導流作用,讓水滴在材料中有方向地流動?!跋扇苏频膬炔坑兄档梦覀儗W習的復雜輸水網絡,此外,SLIPS技術的靈感還來源于豬籠草體內涂滿黏液的光滑表面?!盞yoo-ChulPark說。

        即使在干旱的環境下,仿生材料也能在不影響當地自然生態環境的前提下,完成從空氣中取水的任務。比如撒哈拉沙漠地區,根據Kyoo-ChulPark團隊成員的研究,那里年平均氣溫為30攝氏度,平均相對濕度為25%。正常氣壓下,每立方米的空氣中含有8克水。這意味著,在一個普通房間大小的空間內,存在16升氣態水。這些水能夠滿足兩個人一天的飲水需求。

        美國的SunToWater技術公司也發現了同樣的現象。這家公司主要研究制造出能從空氣中取水的裝置。2015年,為了應對加利福尼亞的干旱環境,該公司研發了3套設備,用于解決供水問題。其裝置在相對濕度只有14%的極度干旱條件下也能工作。有趣的是,SunToWater團隊也是從一種沙漠生物—蜘蛛身上獲得的靈感。

        空氣中的水氣經過裝置的冷凝、凈化作用后,可以直接達到飲用水標準。這將大大降低飲料公司和餐廳的用水成本。而水蒸氣凝結過程中釋放出的大量熱能,也是一種新的能源。這些能源可以應用于火電廠冷凝器,空調系統以及蒸餾塔,為工業生產提供高效的傳熱設備。

        Wyss和SEAS已經就該技術提出專利申請,不過在投入市場之前,還需要經過大量試驗。SunToWater公司的設備也還未大規模投入使用。

        阻礙空氣變水技術進入市場的問題是還是成本?!懊刻崛?升水,需要花費1美分,這甚至比海水淡化還要昂貴?!盨unToWater創始人兼首席執行官BenjaminBlumenthal說。如果大規模使用則需要鋪設管道和動力等一系列配套裝置,總造價將高達數十億美元。除非市場需求足夠大,產量能拉低平均成本,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-ChulPark和他的研究團隊相信,空氣取水材料未來會有很多應用空間?!拔覀冋鸵恍┕竟餐芯窟@種仿生材料的潛力,還有許多市場研究需要做?!倍鴮⑺麄兊姆律牧蠎迷赟unToWater公司的集水設備上,就是一個不錯的主意。

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