奥马尔·亚基：网状化学——气候变暖的解决方案｜2023腾讯科学WE大会视频回顾

演讲回顾

2023年腾讯科学WE大会圆满落幕。7位全球顶尖科学家与我们分享了物理学、材料科学、农业科学、生命科学等领域的多项突破性进展。

大会原声字幕版视频和嘉宾演讲全文将陆续放出，欢迎收看！

干燥的沙漠真的可以造水？奥马尔·亚基在WE大会上，为大家介绍了金属有机框架（MOF）等目前已知的多孔性最强的新材料，以及探索从空气中获取饮用水资源等技术的过程。

以下是奥马尔·亚基视频回顾：

以下是奥马尔·亚基演讲全文：

首先我想讲一个故事。我出生在约旦首都安曼。10岁那年，有一天在学校午饭时间，图书馆在这个时间本来应该是关闭的，可我拧了一下门把手，发现门竟然没锁。然后我就进去了，而我看到的东西改变了我的一生。我看到了分子示意图，而我也是后来才知道它们是分子，从此我就爱上了分子。

我对学习一直热情满满，并且专注于这些分子，但我并没有想到有一天分子研究成了我一生的工作。后来我们发明了最大规模的（框架）材料，这种全新的化学材料有望解决全球气候问题。

今天我想和大家分享我的科研之旅，这一全新的化学领域叫做“网状化学”。“Reticular”（框架/网状）是一个拉丁词语，意思是“网”或“网状的”，框架材料都是网格化的结构。

我想讲一下这种特殊的化学材料如何能够解决气候问题。但首先我想说一些严峻的事实，我们的地球正在“大声呼救”，世界各地的情况都可以证明这一点。澳大利亚大堡礁一半的珊瑚礁都消亡或褪色了，由于海水升温，那里的珊瑚礁可能要100年才能恢复。

我们来看这张图。紫色部分表示每年天气事件的数量较过去更为严重。我想大家对此并不陌生，当下我们正在经历更恶劣的天气。无论是海水升温、地面高温，还是山火肆虐都越发频繁。现在气候问题已然迫在眉睫，直接影响着我们的生活和家园，以及全球人类的生计，尤其是粮食生产。

这是另一个令我尤其担忧的天气灾害：马里布是美国最美的城市之一，我的家就离这里不远，但那里发生了山火。2022年加州山火的过火面积达到430万公顷，并且山火发生频率是过去均值的数倍。这让我非常担忧。

我曾经住在亚利桑那州，第一份正式工作就始于这里。那里的胡佛大坝是北美最大的水坝。大家可以看到，自1983年到现在，胡佛大坝的水位已经降到危险的低水平。胡佛大坝供应着1600万人的生活用水，那里的人们未来将去哪里寻找新的水源？

还有另一件令人关切的问题，也能证明水资源危机的存在。全球三分之一的地方都在面临水供给危机。联合国预计到2040年，全球五六十亿人口都将面临每年至少3个月的水供给短缺。这让人很担忧，不是吗？尤其是年轻人正在大力呼吁亟需改变当前的局面。

但也有好消息。我说这些的目的并不是让大家沮丧，而是让大家看到这些问题是真实存在的，我会与大家分享我们的解决方案。

说到解决方案，首先我们要了解问题的原因，然后采取措施去应对。而这个原因就是这两种小分子，就我们所知它们是目前已知最小的一些分子。

一个是二氧化碳。现在向大气排放的二氧化碳超出过往，这也导致了气候变化和水资源危机，也许我们能通过从空气中取水来解决这个问题。解决气候问题和水资源问题的难点在于，如何将空气中或电厂烟道气中的二氧化碳分离出来。这意味着我们要从多种物质中只分离出一种物质来。

空气中含有氮气、氧气、水和其它分子，它们的含量与二氧化碳的含量不同。那么我们如何从空气中只提取出二氧化碳或水分子呢？这是难点所在。而化学元素周期表可以赋予我们答案。

我们的方法是，将分子重新连接在一起组合成新的材料。

我来举个例子。我们选用的材料都是常见材料，包括有机材料和无机材料。

这里展示的是塑料遮阳材料的组成部分，将这些组成部分重新结合制成全新的材料，也就是金属有机框架材料（MOFs）。这就是它的化学结构。有机结构作为支撑无机结构起到连接作用，从而制成金属有机框架。蓝色的是金属氧化物，最左边的材料是有机支撑结构。黄色的球是内部空间，这个空间可以锁住二氧化碳或水分子。

真正的突破在于我们不仅可以制造这种材料，还可以在原子和分子上对其进行改造。我们与他人合作，在20世纪90年代中期发现了金属有机框架，并且制造了几十万种金属有机框架材料，通过我们开发的化学方法制成了这样的材料。

接下来展示给大家看到的是其中一种MOF。它们是像小钻石一样的微型晶体。我们放大其中一个晶体，你可以肉眼看到它们。如果放大到分子级别来观察，你会看到晶体内部是框架式的结构。这是一种非常开放式的框架结构，能够让气体填满内部的空间，然后将气体压缩进材料的孔隙中。气体分子粘在内部的孔隙中，比分子彼此粘在一起要更有优势。我们可以把气体压缩进这些材料的孔隙中。

我来给大家展示一下。请看这个正在旋转的金属有机框架，你所看到的每个部分都是一个吸附点，那些灰色的原子和粉色的原子都是吸附点。这就意味着我们可以量身打造能够从空气中分离出二氧化碳、水或其它物质的材料，这取决于调整改造材料中的孔隙。

1克这样的材料，大小不超过这个圆圈。但1克这样的材料摊开的表面积可以覆盖一个足球场，可以达到6400平方米，而你的家可能也就100多平方米。这就是框架化学的力量。

接下来我讲一下它的应用价值。

通过多年的研究，我们成功开发了金属有机框架，就是屏幕上正在旋转的这个结构体。我们来看它内部的孔隙，这些小的集群有一个绿色的“头”，我们把它叫做“初级胺”（ primary amines），通过将分子构造进孔隙中，就可以收集空气或电厂烟道气中的二氧化碳，而且只收集二氧化碳。

我们来看一下效果。如图所示，空气中的二氧化碳含量约为400ppm，当空气通过MOFs时，二氧化碳就被吸附住了。过滤后的气体中二氧化碳含量低于2ppm，几乎可以忽略不计。因此MOFs是有效的。从空气中分离吸附二氧化碳的技术问题解决了，剩下的就是工程设计和商业化了。

我们看来另一个例子。这是电厂排放的烟道气，二氧化碳含量为15%。在实际应用中，该材料可以将气流中的二氧化碳浓度降低至小于2%，MOFs就可以实现这一点。这就是希望所在。

我们实现了对结构中的每个模块都按需设计，这是化学领域前所未有的重大突破，所以 “网状化学”改写了历史。

它非常适用于从空气和烟道气中捕捉二氧化碳，我们已经无限接近于按需优化材料。这是第一代的金属框架材料，而我们开发的第二代材料实现了进一步的优化和商业化。现在我们实现了在水泥厂捕捉二氧化碳。要知道工业领域近三分之一的二氧化碳排放就来自于水泥厂，而现在MOFs在水泥厂捕捉二氧化碳已经实现了商业化。德国的巴斯夫公司已将数吨的MOFs材料用于从水泥厂收集二氧化碳，这让我们看到了减少二氧化碳逆转气候变化的希望。

接下来我想说说从空气中取水，我也想通过一个例子加以说明。

我在约旦生活的童年时期，日常工作之一是确定水何时供应。家里每2周只有5小时的供水，而我的任务就是早早起床打开水龙头，在5小时内尽可能多地装满容器。因为未来2周的生活用水都靠这5小时供应。如果提前用完了，就只能寻找其它水源。我真切地体会过生活在干旱缺水的地方是怎样的感受。

我们看这里。地图上红色的区域是空气湿度很低的地方，也就是干旱地区。当地的水资源压力很大。蓝色的区域空气湿度高且水资源丰富，但很多这样的地区的水并不是清洁的水。那么我们是否能设计出一种材料，可以在湿度很低的地区的空气中收集水份。MOFs就可以做到，我们的愿景是在世界的任何地方都能实现随时随地从空气中收集水。

有人会说空气是很干燥的（含水量很小），但事实上空气中的含水量非常多，能达到接近1.3万立方千米的水。如果为地球上每个人每天提供50升水，那也只是空气中含水量的不到1%，而且是远远不到1%。也就是说，空气中含有大量的水，而问题在于如何收集空气中的水，并将其变为可饮用的水。从空气中收集水的难点是什么？

这是一张湿度图。纵轴是空气中的水蒸气含量，横轴是气温。湿度曲线从10%、20%一直到100%。如果湿度是100%，那就是液化水。

假如我在一座地中海边的城市，比如西班牙的格拉纳达。假设那里气温30度、湿度20%，要从这样的空气中提取水，那么需要将温度降至“b”点，也就是4摄氏度。这样的制冷方式从经济角度看并不可行。但如果我在“a”点的条件下使用MOFs，从空气中取水并将水注入材料的孔隙中，然后通过加热取出水之后再进行凝结，这样就能将沙漠空气“变为”热带空气。这就是我们一直研究的思路。

水如何进入MOF？这段视频可以给我们答案。这是MOF中的一个孔隙，我们将它切成两半，可以看到红色的水首先会进入亲水区，将亲水区填满。然后亲水区内的水会连成一体。此时在MOF内部，在孔隙流动的水分子，亲水区内的水分子，在温和条件下相互吸引和排斥可以将水移走。因此这个系统不需要太多能源来驱动。

这是我们在沙漠中测试的第一代实验装置。我们在实验室中已经做过了各种研究和实验，我们把1公斤的MOFs放进这个小盒子里， 晚上再把这个小盒子放进一个更大的盒子里。我们让空气穿过MOFs，通过这种材料来提取水。白天的时候关闭那个更大的盒子，随着阳光让内部升温，水就出来了，然后冷凝，最后成功获得液态水。我的学生们在亚利桑那州的沙漠中进行了实验，收集到的水非常纯净，是你能找到的最纯净的水。

这台装置是电动的实验原型，这是我们的第一个原型装置，大盒子套小盒子。从空气中收集水，除了需要阳光外，不需要任何能源输入。

第二台装置配有巴赫音乐。每200克MOFs每天可收集5升水，而这台装置的大小不超过一个家用微波炉，并且最后获得的水是非常纯净的。这意味着我们可以掌控水，可以实现水供给自足了。MOFs可以持续使用5年以上，无需更换，也无需补充。达到工作年限后，我们可以将材料分解成原始的组成部分，再重新组装，实现了零废物排放。

基于这些研究和实验结果，这些设备可以在沙漠中实际应用了。我们来看看效果。这是世界上最干燥的沙漠，在全年最干燥的8月份，每公斤MOF每天可以收集7升水。 

那么其它地方呢？这是北美最干燥的莫哈韦沙漠，这是中国兰州，然后还有阿富汗首都喀布尔和沙特首都利雅得，每公斤MOF每天可以收集接近35升水。

这种材料可以使用5年以上，可以在全球任何地方随时随地从空气中取水。

那么现在让我告诉你化学到底可以多强大。

MOFs已经表现出非常强大，但我们还是想提高它的取水能力，想让人们获得更多的水。基于我们开发的化学方法，我们可以进一步优化分子连接。就像外科手术一样，只需要添加两个碳原子就可以。加入两个碳原子后，MOFs的取水能力可以提高50%，因为孔隙变得更大了。无需大幅的改动，无需改变刚才讲到的吸附点，并且释放水所需的能源更少。 

这意味着什么？意味着对于从空气中取水，如果只使用太阳能来驱动装置，每吨MOF每天可收集2250升水，并且5年无需更换材料。如果使用电动装置，每吨MOF每天可收集2.5万升水。这是实实在在的进步，意味着无论在干旱地区，还是在水资源充足但水质不好的地区，我们都为当地人带来了希望。

但这还不是全部。如果掌握了如何在分子和原子级别上精确地设计材料，那么应用的可能性将是无限的。现在全球100多个国家都在研究MOFs，也在研究其在各个领域的应用，包括生物医学、清洁能源、清洁水和空气净化等。

这就是我的经历。我的化学科研始于小时候对分子的热爱。所以在上学时不要压抑对某种东西的热爱，只要有兴趣就可以了，不一定非要立志解决什么问题，热情饱满就好。保持你的激情，然后去解决理论问题，最后创造出能够实现各种应用的东西。

这就是我的故事。

谢谢！