材料發現研究院開發水資源新解方：從乾燥空氣中提取飲用水

圖、文／永續新聞網 

雖然位於伊利諾州斯科基市的實驗室距離非洲沙漠數千英里，材料發現研究院（MDRI）的首席研究科學家提穆爾．伊斯拉莫魯（Timur Islamoglu）每天思考的卻是如何在這些乾旱地區找到足夠的水源。

▲MDRI首席科學家伊斯拉莫魯正研發能從乾燥空氣中擷取水分的材料，針對乾旱地區提供可持續水源解決方案，並結合數位優先策略加速材料創新。（圖／永續新聞網）

伊斯拉莫魯正致力於開發一種具有特定特性的材料，可從乾燥空氣中擷取水分，轉化為可持續的飲用水來源，尤其針對相對濕度低於30%的乾旱地區。「這些地區最迫切需要這類技術，因為氣候變遷將加劇乾旱、減少降雨，使得尋找替代水源變得更加迫切，」他表示。

這項研究屬於材料發現研究院（MDRI）的核心任務，該機構隸屬於美國UL研究院（UL Research Institutes）旗下，2022年成立，並於2024年9月啟用配備尖端自動化合成與數據採集技術的實驗室。MDRI聚焦於應對氣候變遷與能源儲存挑戰，致力於研發乾淨飲用水、移除過剩碳排，以及開發更高效的氫能源生產與儲存方式。

MDRI副總裁暨執行長史都華‧米勒（Stuart Miller）表示：「全世界每個人都應該享有安全飲水的權利，而提供廉價電力則能有效改善貧困問題。我們面臨的最大挑戰是：如何在不增加碳排放的情況下做到這一切？材料創新將是關鍵。」

數位優先的材料創新策略

自工業革命以來，人類已開發出大量石化基材料以建構現代生活。但隨著化石燃料排碳造成氣候危機、全球人口預計在2050年代逼近100億，米勒強調，我們必須擺脫石油依賴，尋找替代材料。而透過傳統試錯法來開發新材料將耗費大量時間與資源，「我們沒有再等170年的本錢。」

因此，MDRI採取所謂的「數位優先」（digital-first）策略，整合材料科學家與化學家的專業知識，自動化的化學合成設備、能同時進行奈米粒子催化劑生成與沉積的奈米印刷機，以及多種感測器來收集實驗數據（如濕度）並導入機器學習模型，以加快材料篩選與優化速度。

在缺水地區，伊斯拉莫魯團隊正研究一種具微孔結構的材料，模仿海綿從低濕度空氣中吸收水分。為達成這項目標，材料需兼具數個條件：孔隙要夠小以捕捉水分子、不能太防水（疏水性太強會排斥水氣）、也不能吸水太緊，否則需高溫（攝氏200-300度）才能釋放水分，導致高昂能耗與成本。

不同氣候條件對吸水材料的孔隙結構也有不同需求，因此針對各類濕度環境進行適配性研究，也是MDRI的重要研究方向。聯合國近期報告指出，即便在美國與歐洲等開發國家，未來也可能面臨嚴重水資源短缺，尤其農業需大量用水，而氣候變遷也正在改變降雨模式。

將水與碳變資源，氫能接力減碳

類似結構的材料也可用於碳捕捉技術，從空氣或工業排放中直接吸收二氧化碳，再將其轉化為無害物質或用來製造石化產品，減少對原油的依賴。此類用途更重視材料的化學組成，以利與二氧化碳產生選擇性作用。

另一項減碳手段是使用氫燃料電池產生能源。MDRI首席科學家吳傑夫（Jeff Wu）正致力於開發更高效的電解催化劑，以分解水分子生成氫氣與氧氣。目前主流電解槽依賴昂貴稀有金屬，如鉑與釕。吳嘗試以更便宜、地球儲量豐富的金屬如鐵、鎳、銅取而代之。

吳也希望未來能以伊斯拉莫魯團隊開發的微孔材料作為氫氣儲存解方，並運用奈米印刷機加速開發可用於燃料電池的新型催化劑，提升發電效率。這些能量可再儲存在流體電池中，這類儲能系統使用液體溶劑，不僅比鋰電池便宜，也更安全。

吳強調，他們的目標不只停留在實驗室模擬階段，而是打造實際運作的原型機，如氫燃料電池、電解槽、流體電池等裝置，最大達千瓦級，並在現實環境中接受嚴苛測試，包括溫度變化、負載變動及濕度條件。

未來實驗室：人機協作的材料發現平台

為加速新材料研發，MDRI的計算組主管瓦瑞妮亞．貝納雷斯（Varinia Bernales）負責開發高通量運算模型，透過機器學習來預測材料特性，大幅減少傳統繁複模擬與實驗程序。

她目前與西北大學與多倫多大學合作，尋求能有效從礦石中選擇性提取稀土元素的解方。稀土金屬廣泛應用於電子產品、LED與燃料添加劑，但其開採過程對水源污染極具風險。

多倫多大學的合作者艾倫．阿斯普魯—古茲克（Alán Aspuru-Guzik）指出，若能成功解決這一問題，將為永續採礦與供應鏈穩定鋪路。

貝納雷斯表示，未來實驗室將結合實驗、計算與機器人技術，由機器人負責大量樣品合成工作，讓科學家有更多時間思考創新問題。「這將是未來的實驗室樣貌。」

MDRI執行長米勒也強調，他們希望快速推進原型開發與商品化進程，但也不指望短期內解決所有永續挑戰。「這是一個世代任務。我們這一代要建構出知識基礎與研發架構，而真正能解決問題的人，現在還在學校學習。」