优化后的材料比以前的版本多吸50%的水，显示出帮助干旱气候的潜力

化学家和工程师找到了获取水的创新方法，包括从稀薄的空气中提取水。现在，芝加哥大学的研究人员发现了一种提取更多水的方法。

2021年，普利兹克分子工程学院和化学系的Laura Gagliardi教授参与了一个跨机构团队，开发了一种从空气中提取水的新设备。关键的创新是一种被称为金属-有机框架的设计材料，这是一种金属离子和有机链接剂的混合结构，可以在分子水平上进行调节。

MOFs有一种空孔结构，可以吸附空气中的水分子。Gagliardi和她的团队使用理论和计算方法来更好地理解材料在原子水平上是如何工作的。

现在，Gagliardi的团队已经帮助指导了一种优化的MOF的设计，它比以前的版本从空气中吸附的水多50%。这种材料最终将被整合到一个设备中，以展示这种可能改变游戏规则的技术。

“这是一个真正的突破，”Gagliardi说。“这表明，理论、建模和预测可以指导新的实验和新技术。”这项研究发表在《ACS中央科学》杂志上。

Laura Gagliardi教授

 
Laura Gagliardi教授和她的团队帮助指导了这种材料的设计。

虽然最初的MOF效果很好，但该团队希望通过增加材料的孔隙体积来改进它，但同时保持与水的结合强度相似。MOF框架由微小的铝基棒组成，由“连接器”分子连接。这种结构形成了由交替的亲水(水结合)和疏水(水避免)口袋组成的孔隙。

当MOF暴露在空气中时，水分子就会自然地与它结合在一起。一旦最初的水分子结合在一起，接下来的分子就会附着在最初的水分子上。

结果就是一块充满水的“海绵”。但研究人员希望增加孔隙体积(这将为从空气中提取更多的水留出空间)，同时仍然保持吸引初始水分子所需的特殊环境。该团队还必须在设计中找到合适的最佳位置:水需要与MOF结合，但不能太强烈，否则它永远不会被解吸(从海绵中挤出)。

Gagliardi的团队通过计算机模拟找到了最终的答案:添加特殊的连接器扩展，本质上是由两个碳原子组成的结构上的长臂，这将增加孔隙大小，同时保留MOF最初具有的特殊水结合性能。

“希望我们能继续这些发现，最终帮助人们在干旱气候中获取水。”

教授。Laura Gagliardi，普利兹克分子工程学院和化学系

教授。Laura Gagliardi，普利兹克分子工程学院和化学系教授。Laura Gagliardi，普利兹克分子工程学院和化学系

他们与加州大学伯克利分校的实验人员合作，以确保这种材料能以相对较低的成本合成。该团队还包括明尼苏达大学、通用电气公司和柏林洪堡大学的研究人员，他们目前正在扩大这种新型MOF的产量，并将其纳入他们的原型集水装置中。如果它在设备中工作得和在实验室中一样好，这意味着该设备可以比以前收集更多的水。

“这是一次真正的讨论、建模和实验的合作，”Gagliardi说。

接下来，该团队正在考虑对设计进行更多的修改，并将集成机器学习，可以筛选他们通过建模和实验获得的数据，为改进提供新的建议。最终，该设备可以用于帮助在干旱地区作战的士兵或在缺水地区的平民。

她说:“希望我们能继续这些发现，最终帮助人们在干旱气候下获取水。”

本文最初发表于普利兹克分子工程学院网站。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。