缺水是世界范圍內(nèi)的一個主要問題和難題，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程助理教授阿米爾·巴拉蒂·法里馬尼說：缺水問題影響到每一個大陸，40億人一年中至少有一個月生活在嚴(yán)重缺水的情況下，5億人全年生活在嚴(yán)重缺水的情況下。

然而，即使人們在沒有安全飲用水的情況下苦苦掙扎，門外仍有大量不能飲用的水。然而地球表面的71%被海水覆蓋，所以這是一個非常有趣的矛盾。

為了解決這個問題，巴拉蒂·法里馬尼將研究重點放在了海水淡化上，這是咸水轉(zhuǎn)化為淡水的過程。淡化水的方法有很多種，但最有效的方法之一是**淡化。在這種方法中，水被推過有小孔的薄膜。水流過毛孔，但鹽離子不能，只剩下淡水在另一邊。在最新研究中，巴拉蒂·法里馬尼探索了一種新型膜的潛力，這種膜被稱為金屬-有機(jī)骨架(MOF)。這些膜由金屬中心和有機(jī)化合物組成，有機(jī)化合物和金屬呈五角形連接，在中心留下一個孔作為孔。

如果你看它們，它們就像蜂巢，該框架更有效的原因有幾個：首先，它非常薄。它只有幾個原子厚，這意味著當(dāng)水分子通過孔隙時，摩擦力非常小。此外，毛孔的位置有助于滲透，當(dāng)沒有相鄰的毛孔時，壁上的分子會受到巨大的壓力。這會降低海水淡化過程的效率，要理解其中的原因，只需想象一下向漏斗里倒水。水通過末端洞的速度更慢，因為它被推到膜上，強(qiáng)行穿過一個很小的空間，另一方面，MOF有多個相鄰的孔隙，沒有來自膜面的壓力。

這給了它們更容易通過毛孔的機(jī)會，想象一下，這一次通過過濾器倒水，它的移動要快得多，因為它有多個可以逃脫的出口點。最后，MOF比其他材料具有更完整的結(jié)構(gòu)。在大多數(shù)材料中，科學(xué)家不得不鉆微小的孔來創(chuàng)造所需孔隙，這限制了每個表面積可以創(chuàng)造的數(shù)量。如果想制造很多毛孔，石墨烯或二硫化鉬不能做到這一點，從結(jié)構(gòu)上講，它們承受不住壓力。但由于其蜂窩結(jié)構(gòu)，MOF本質(zhì)上是多孔的，有更高的孔隙率與表面積之比。

這也節(jié)省了時間和精力，因為毛孔不需要鉆孔，甚至不需要調(diào)整大小。MOF和其他典型的膜之間的差異是顯著的，無論是水通過的速度有多快，以及有多少離子被阻止，這僅僅是對幾個毛孔的模擬。一座海水淡化廠可能會有數(shù)十億個孔隙，從而使其效率成倍提高。在大規(guī)模淡化中，這將是巨大的，即使效率略有提高，也意味著巨大的飛躍。除了學(xué)術(shù)界，研究人員還希望研究能對人們的生活產(chǎn)生影響，我們需要為許多貧困人口提供淡水，比如在非洲或其他地方。

博科園｜研究/來自：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

參考期刊《ACS Nano》

10.1021/acs.nanolett.9b03225

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