缺水是世界范围内的一个主要问题和难题，卡内基梅隆大学机械工程助理教授阿米尔·巴拉蒂·法里马尼说：缺水问题影响到每一个大陆，40亿人一年中至少有一个月生活在严重缺水的情况下，5亿人全年生活在严重缺水的情况下。然而，即使人们在没有安全饮用水的情况下苦苦挣扎，门外仍有大量不能饮用的水。然而地球表面的71%被海水覆盖，所以这是一个非常有趣的矛盾。
为了解决这个问题，巴拉蒂·法里马尼将研究重点放在了海水淡化上，这是咸水转化为淡水的过程。淡化水的方法有很多种，但最有效的方法之一是膜法淡化。在这种方法中，水被推过有小孔的薄膜。水流过毛孔，但盐离子不能，只剩下淡水在另一边。在最新研究中，巴拉蒂·法里马尼探索了一种新型膜的潜力，这种膜被称为金属-有机骨架(MOF)。这些膜由金属中心和有机化合物组成，有机化合物和金属呈五角形连接，在中心留下一个孔作为孔。
如果你看它们，它们就像蜂巢，该框架更有效的原因有几个：首先，它非常薄。它只有几个原子厚，这意味着当水分子通过孔隙时，摩擦力非常小。此外，毛孔的位置有助于渗透，当没有相邻的毛孔时，壁上的分子会受到巨大的压力。这会降低海水淡化过程的效率，要理解其中的原因，只需想象一下向漏斗里倒水。水通过末端洞的速度更慢，因为它被推到膜上，强行穿过一个很小的空间，另一方面，MOF有多个相邻的孔隙，没有来自膜面的压力。
这给了它们更容易通过毛孔的机会，想象一下，这一次通过过滤器倒水，它的移动要快得多，因为它有多个可以逃脱的出口点。最后，MOF比其他材料具有更完整的结构。在大多数材料中，科学家不得不钻微小的孔来创造所需孔隙，这限制了每个表面积可以创造的数量。如果想制造很多毛孔，石墨烯或二硫化钼不能做到这一点，从结构上讲，它们承受不住压力。但由于其蜂窝结构，MOF本质上是多孔的，有更高的孔隙率与表面积之比。
这也节省了时间和精力，因为毛孔不需要钻孔，甚至不需要调整大小。MOF和其他典型的膜之间的差异是显著的，无论是水通过的速度有多快，以及有多少离子被阻止，这仅仅是对几个毛孔的模拟。一座海水淡化厂可能会有数十亿个孔隙，从而使其效率成倍提高。在大规模淡化中，这将是巨大的，即使效率略有提高，也意味着巨大的飞跃。除了学术界，研究人员还希望研究能对人们的生活产生影响，我们需要为许多贫困人口提供淡水，比如在非洲或其他地方。
博科园｜研究/来自：卡内基梅隆大学机械工程学院
参考期刊《ACS Nano》
10.1021/acs.nanolett.9b03225
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