饮用水来自哪里？ 中学地理课上曾讲过水循环：自然界中的水在太阳能的作用下，以不同形态在海洋、天空和陆地之间存在并流动着，而饮用水大多都是通过净化地表水获得的。不过，哈佛大学的研究团队给出了一个新的答案：空气。 一些生活在沙漠中的生物，能够依靠独特的身体结构吸收空气中的水分，以此满足基本的生存需要。来自哈佛大学Wyss生物工程研究院（下简称“Wyss”）的研究员们，就从这些动物身上获得了灵感。通过研究沙漠甲壳虫、仙人掌和猪笼草的生物特征，他们联合哈佛大学工程与应用科学学院（下简称“SEAS”），共同研发了一种能从空气中收集水并实现运输存储的仿生材料。 对生物工程研究院的研究者来说，从空气中取水其实并不是一个新课题。Wyss和SEAS对此的研究始于2013年。 制造从空气中吸水的材料不是难事，这和冬天的玻璃窗朝室内的一面常常有雾气的原理相似。德国不来梅大学也曾研究过一种大平面的聚合物类材料，夜间从空气中吸收水分，白天受热后释放出水。 但要让获得的水量能够满足使用，就是另一回事了。如何在短时间内收集到足够多的水，Wyss和SEAS研究的仿生材料试图解决的就是这个问题。 仿生材料最初采用的是光滑多孔的表面。研究团队认为，光滑表面可以最大程度地减少摩擦力，有助于水滴凝结和流动。然而实验结果却表明，随着水量逐渐增多，水滴会在光滑表面粘连，影响吸水效率。直到去年，他们才从甲虫和仙人掌身上找到突破口。今年2月，他们将研究成果发表在了《自然》杂志上。 “纳米布沙漠甲虫凹凸不平的背部可以快速地从空气中吸收水分，仙人掌用的则是它不对称的V形掌刺。”Wyss研究员Kyoo-ChulPark对《第一财经周刊》说。这说明，相比光滑的平面，粗糙质地的材料更具吸水性。 于是，研究员们改进了仿生材料，在3D打印出的聚合物上覆盖一层薄薄的铝膜，使它拥有着类似甲壳虫背部的特殊几何构造。正是这种构造，加速了空气中的水汽凝结速度，也让仿生材料的吸水量提高了一个量级。 过去100年内，全球人口增加了3倍，人类对水资源的需求量增加了6倍。目前，全球有10亿人口缺乏饮用水，而到2025年，缺水人口预计将达到全球人口总数的 60%。 事实上，人类一直在开拓获取淡水资源的途径。但无论是海水淡化还是水资源回收利用，都由于成本高昂或操作性不强等原因未能普及。 解决方法可能就存在于空气中。这里集结着12.9万亿吨气态水。只要吸取其中1%的水量，就能满足全球家庭120天的用水量―空气可能成为未来人类生活用水的重要“水源”。 我们可以轻易地利用地表水资源，但要“抓住”蒸发在空气中的水资源却不容易。它们中的一部分会变成雨雪落回地面，更大一部分则流向海洋，其中一些则会在落地之前蒸发。很多不具备降水条件的地方，并不意味着空气中没有足够的水。哈佛研究的仿生材料，目的就在于收集流失在空气中的这些水资源，通过人工的参与，更加均衡地分配它们。 除了具备从空气中取水的功能，这种仿生材料更重要的一个特点是，它还具备运输功能，这是该材料可能投入应用的关键，也是整个研究过程中的最大难点。 仿生材料的突起形态、弯曲程度、横截面形状以及表面湿度，都会对取水和输水过程有影响。为了减少水滴在运输过程中的损耗，Wyss和SEAS研发了一种叫SLIPS的技术（Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces）。就好像在材料粗糙的表面涂了一层润滑剂，这种技术不仅能让仿生材料表面的摩擦力近乎为零，还能起到导流作用，让水滴在材料中有方向地流动。“仙人掌的内部有着值得我们学习的复杂输水网络，此外，SLIPS技术的灵感还来源于猪笼草体内涂满黏液的光滑表面。”Kyoo-Chul Park说。 即使在最干旱的环境下，仿生材料也能在不影响当地自然生态环境的前提下，完成从空气中取水的任务。比如撒哈拉沙漠地区，根据Kyoo-Chul Park团队成员的研究，那里年平均气温为30摄氏度，平均相对湿度为25%。正常气压下，每立方米的空气中含有8克水。这意味着，在一个普通房间大小的空间内，存在16升气态水。这些水能够满足两个人一天的饮水需求。 美国的SunToWater技术公司也发现了同样的现象。这家公司主要研究制造出能从空气中取水的装置。2015年，为了应对加利福尼亚的干旱环境，该公司研发了3套设备，用于解决供水问题。其装置在相对湿度只有14%的极度干旱条件下也能工作。有趣的是，SunToWater团队也是从一种沙漠生物―蜘蛛身上获得的灵感。 空气中的水气经过装置的冷凝、净化作用后，可以直接达到饮用水标准。这将大大降低饮料公司和餐厅的用水成本。而水蒸气凝结过程中释放出的大量热能，也是一种新的能源。这些能源可以应用于火电厂冷凝器，空调系统以及蒸馏塔，为工业生产提供高效的传热设备。 Wyss和SEAS已经就该技术提出专利申请，不过在投入市场之前，还需要经过大量试验。SunToWater公司的设备也还未大规模投入使用。 阻碍空气变水技术进入市场的最大问题是还是成本。“每提取1升水，需要花费1美分，这甚至比海水淡化还要昂贵。”SunToWater创始人兼首席执行官Benjamin Blumenthal说。如果大规模使用则需要铺设管道和动力等一系列配套装置，总造价将高达数十亿美元。除非市场需求足够大，产量能拉低平均成本，否则如此巨大的成本投入，不是一般公司所能够承受的。 无论如何，从空气中取水的研究为水源问题提供了一种新的可能性。Kyoo-Chul Park和他的研究团队相信，空气取水材料未来会有很多应用空间。“我们正和一些公司共同研究这种仿生材料的潜力，还有许多市场研究需要做。”而将他们的仿生材料应用在SunToWater公司的集水设备上，就是一个不错的主意。
饮用水来自哪里？ 中学地理课上曾讲过水循环：自然界中的水在太阳能的作用下，以不同形态在海洋、天空和陆地之间存在并流动着，而饮用水大多都是通过净化地表水获得的。不过，哈佛大学的研究团队给出了一个新的答案：空气。 一些生活在沙漠中的生物，能够依靠独特的身体结构吸收空气中的水分，以此满足基本的生存需要。来自哈佛大学Wyss生物工程研究院（下简称“Wyss”）的研究员们，就从这些动物身上获得了灵感。通过研究沙漠甲壳虫、仙人掌和猪笼草的生物特征，他们联合哈佛大学工程与应用科学学院（下简称“SEAS”），共同研发了一种能从空气中收集水并实现运输存储的仿生材料。 对生物工程研究院的研究者来说，从空气中取水其实并不是一个新课题。Wyss和SEAS对此的研究始于2013年。 制造从空气中吸水的材料不是难事，这和冬天的玻璃窗朝室内的一面常常有雾气的原理相似。德国不来梅大学也曾研究过一种大平面的聚合物类材料，夜间从空气中吸收水分，白天受热后释放出水。 但要让获得的水量能够满足使用，就是另一回事了。如何在短时间内收集到足够多的水，Wyss和SEAS研究的仿生材料试图解决的就是这个问题。 仿生材料最初采用的是光滑多孔的表面。研究团队认为，光滑表面可以最大程度地减少摩擦力，有助于水滴凝结和流动。然而实验结果却表明，随着水量逐渐增多，水滴会在光滑表面粘连，影响吸水效率。直到去年，他们才从甲虫和仙人掌身上找到突破口。今年2月，他们将研究成果发表在了《自然》杂志上。 “纳米布沙漠甲虫凹凸不平的背部可以快速地从空气中吸收水分，仙人掌用的则是它不对称的V形掌刺。”Wyss研究员Kyoo-ChulPark对《第一财经周刊》说。这说明，相比光滑的平面，粗糙质地的材料更具吸水性。 于是，研究员们改进了仿生材料，在3D打印出的聚合物上覆盖一层薄薄的铝膜，使它拥有着类似甲壳虫背部的特殊几何构造。正是这种构造，加速了空气中的水汽凝结速度，也让仿生材料的吸水量提高了一个量级。 过去100年内，全球人口增加了3倍，人类对水资源的需求量增加了6倍。目前，全球有10亿人口缺乏饮用水，而到2025年，缺水人口预计将达到全球人口总数的 60%。 事实上，人类一直在开拓获取淡水资源的途径。但无论是海水淡化还是水资源回收利用，都由于成本高昂或操作性不强等原因未能普及。 解决方法可能就存在于空气中。这里集结着12.9万亿吨气态水。只要吸取其中1%的水量，就能满足全球家庭120天的用水量―空气可能成为未来人类生活用水的重要“水源”。 我们可以轻易地利用地表水资源，但要“抓住”蒸发在空气中的水资源却不容易。它们中的一部分会变成雨雪落回地面，更大一部分则流向海洋，其中一些则会在落地之前蒸发。很多不具备降水条件的地方，并不意味着空气中没有足够的水。哈佛研究的仿生材料，目的就在于收集流失在空气中的这些水资源，通过人工的参与，更加均衡地分配它们。 除了具备从空气中取水的功能，这种仿生材料更重要的一个特点是，它还具备运输功能，这是该材料可能投入应用的关键，也是整个研究过程中的最大难点。 仿生材料的突起形态、弯曲程度、横截面形状以及表面湿度，都会对取水和输水过程有影响。为了减少水滴在运输过程中的损耗，Wyss和SEAS研发了一种叫SLIPS的技术（Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces）。就好像在材料粗糙的表面涂了一层润滑剂，这种技术不仅能让仿生材料表面的摩擦力近乎为零，还能起到导流作用，让水滴在材料中有方向地流动。“仙人掌的内部有着值得我们学习的复杂输水网络，此外，SLIPS技术的灵感还来源于猪笼草体内涂满黏液的光滑表面。”Kyoo-Chul Park说。 即使在最干旱的环境下，仿生材料也能在不影响当地自然生态环境的前提下，完成从空气中取水的任务。比如撒哈拉沙漠地区，根据Kyoo-Chul Park团队成员的研究，那里年平均气温为30摄氏度，平均相对湿度为25%。正常气压下，每立方米的空气中含有8克水。这意味着，在一个普通房间大小的空间内，存在16升气态水。这些水能够满足两个人一天的饮水需求。 美国的SunToWater技术公司也发现了同样的现象。这家公司主要研究制造出能从空气中取水的装置。2015年，为了应对加利福尼亚的干旱环境，该公司研发了3套设备，用于解决供水问题。其装置在相对湿度只有14%的极度干旱条件下也能工作。有趣的是，SunToWater团队也是从一种沙漠生物―蜘蛛身上获得的灵感。 空气中的水气经过装置的冷凝、净化作用后，可以直接达到饮用水标准。这将大大降低饮料公司和餐厅的用水成本。而水蒸气凝结过程中释放出的大量热能，也是一种新的能源。这些能源可以应用于火电厂冷凝器，空调系统以及蒸馏塔，为工业生产提供高效的传热设备。 Wyss和SEAS已经就该技术提出专利申请，不过在投入市场之前，还需要经过大量试验。SunToWater公司的设备也还未大规模投入使用。 阻碍空气变水技术进入市场的最大问题是还是成本。“每提取1升水，需要花费1美分，这甚至比海水淡化还要昂贵。”SunToWater创始人兼首席执行官Benjamin Blumenthal说。如果大规模使用则需要铺设管道和动力等一系列配套装置，总造价将高达数十亿美元。除非市场需求足够大，产量能拉低平均成本，否则如此巨大的成本投入，不是一般公司所能够承受的。 无论如何，从空气中取水的研究为水源问题提供了一种新的可能性。Kyoo-Chul Park和他的研究团队相信，空气取水材料未来会有很多应用空间。“我们正和一些公司共同研究这种仿生材料的潜力，还有许多市场研究需要做。”而将他们的仿生材料应用在SunToWater公司的集水设备上，就是一个不错的主意。