新型高科技芯片有望使海水變成淡水
[導(dǎo)讀]將海水變?yōu)槿祟惪梢燥嬘玫牡恢笔且粋€吃力不討好的差事，它耗能大、水質(zhì)又差，現(xiàn)在MIT的科學(xué)家們制造的芯片可以更好地完成這個工作。雖然地球表面有超過70%被水覆蓋，但是我們可以直接使用的淡水卻并不算多。海洋
將海水變?yōu)槿祟惪梢燥嬘玫牡恢笔且粋€吃力不討好的差事，它耗能大、水質(zhì)又差，現(xiàn)在MIT的科學(xué)家們制造的芯片可以更好地完成這個工作。
雖然地球表面有超過70%被水覆蓋，但是我們可以直接使用的淡水卻并不算多。海洋中的苦澀咸水占了總水量的97.5%，剩下的淡水又大部分集中在南北極和冰川上。數(shù)百萬年來，人類只能依靠僅占總水量0.2%的淡水生存。
將海水變?yōu)榈莻€歷史悠久的課題。雖然早在1954年人們就修建了大規(guī)模的海水淡化廠，但是直到目前為止，最常見的海水脫鹽方式依然是半透膜反滲透或者多級閃蒸。前者利用薄膜讓水分子通過而阻止其他雜質(zhì)，后者則通過多次壓力降低讓水迅速以蒸汽的形式逸出。這兩種方式的成本都比較高，而且并不適合制造成便攜式的淡化裝置?，F(xiàn)在麻省理工學(xué)院和韓國的研究者們制造出一種可以用于淡化海水的芯片，為海水淡化提供了一種新思路。
這種芯片與傳統(tǒng)集成電路芯片的制作方式類似，通過簡單的光刻和腐蝕工藝就可以完成。它可以將海水中鹽類的濃度提升并且通過一條通道排出，而從另一條通道中產(chǎn)生相當(dāng)不錯的淡水。它基于一種叫做離子濃差極化(ICP，Ion Concentration Polarization)的現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)這種淡化過程，而其低能耗的特征令人印象深刻：制造1000升淡水，只需要3.5度電。
離子濃差極化是一種向電解質(zhì)溶液通電時(shí)會發(fā)生的現(xiàn)象。當(dāng)電極上流過電流時(shí)，在那些離電極較近的溶液中離子會靠近異性電極，而遠(yuǎn)處溶液中的離子又來不及補(bǔ)充，從而在電極外制造出一層離子濃度較低的溶液層。這種現(xiàn)象在電解和電鍍的過程中是有害的，因?yàn)樗馕吨枰鼜?qiáng)的電流或者頻繁的攪拌來減小離子分布不均勻帶來的負(fù)面影響;而在麻省理工學(xué)院開發(fā)的這種凈水芯片中，卻剛好利用了這一層薄薄的低濃度溶液—它也就意味著高質(zhì)量的淡水。
麻省理工學(xué)院電子電氣和計(jì)算機(jī)學(xué)院的博士后Sung Jae Kim和助教Jongyoon Han以及他們的韓國同事在一塊郵票大小的軟硅膠基板上制造出了這種分離淡水的裝置。芯片上微小的水道呈Y字型，中間的交點(diǎn)就是鹽水和淡水的分離處，和V字型的地線相連。在加上75伏電壓以后，流經(jīng)入水通道的海水將會在交叉點(diǎn)分道揚(yáng)鑣：高濃度的溶液會經(jīng)由鹽水出口排出，而人們可以從淡水口收集那層離子濃度低的溶液。
這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于水道的寬度和電壓。如果寬度過于寬的話，那么電極表面的低濃度溶液，也就是我們需要的淡水將會混合著鹽水一起排出;而寬度過窄的話，將會造成能量的浪費(fèi)，以及減小出水量?，F(xiàn)在在這塊芯片原型上，入水通道的寬度是0.5毫米，而每個出水口寬度只有0.25毫米，深度是0.1毫米左右。它的測試效果令人振奮。
在測試中，研究人員首先在馬薩諸塞州伊普斯維奇的Crane海灘取得海水樣本，在其中加入了血細(xì)胞、一些垃圾碎片和別的物質(zhì)來讓其更加符合海水的實(shí)際情況，然后用過濾裝置將超過通道直徑的雜質(zhì)濾出，再將海水接入這塊芯片。在顯微鏡下可以清晰地看到，加電后半秒鐘，渾濁的海水在Y型通道的交叉點(diǎn)處分叉，清澈的水流向淡水出口，而更加渾濁的高濃度鹽水流向鹽水口。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種方法已經(jīng)能夠去除海水中99%的鹽分和其他雜質(zhì)，產(chǎn)出的淡水占總水量的一半。當(dāng)然，這種方法只能用于去除帶電的離子和雜質(zhì)，對于電中性的微粒來說并不適用。從淡水口產(chǎn)出的水依然需要通過例如活性炭過濾這樣的方式來處理，才能夠成為安全的飲用水。“這種芯片可以將海水和苦咸水中的細(xì)菌和其他粒子分離出去，而且不會產(chǎn)生任何堵塞問題?！盝ongyoon Han說，“這在美國可能不是什么大問題。但是在印度，很多的飲用水都是苦咸水或者咸水，這個特點(diǎn)就顯得非常重要了。”
現(xiàn)在，這種凈水芯片的工藝和成本已經(jīng)不算大問題，畢竟光刻和腐蝕工藝在數(shù)十年的發(fā)展過程中變得相當(dāng)成熟，研究者們更關(guān)注的是它的工作效率。在這個實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品中，因?yàn)橥ǖ廊萘康南拗?，每分鐘可以入?.02毫升，而只能產(chǎn)水0.01毫升。這意味著，如果滿足一個成年人一天4升的飲水需求，一塊芯片需要工作9個月。
將大量這類芯片集成到一起，可能是更好的辦法。研究者們現(xiàn)在開始制造一個擁有100個凈水單元的面板，來驗(yàn)證規(guī)?；蓪γ擕}處理結(jié)果的影響，以及嘗試完成一個包含1萬個凈水單元的系統(tǒng)。在理想狀況下，這樣的一個系統(tǒng)每小時(shí)可以生產(chǎn)6升淡水，足以支持一個中型家庭的需要。
在偏遠(yuǎn)地區(qū)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這套海水淡化裝置將可以利用太陽能電池產(chǎn)生的電力來運(yùn)行，只需要將海水從裝置頂部灌入，就可以借助重力的幫助，從底部收集淡水。它還可能會成為災(zāi)難救援的好工具，也會為其他需要便攜式海水淡化裝置的場合提供幫助。然而，在這種美好前景面前，這種芯片依然需要經(jīng)過大規(guī)模集成的實(shí)驗(yàn)和測試難關(guān)，才能確定它是否真正具有推廣價(jià)值。研究者們認(rèn)為，進(jìn)行規(guī)?；透倪M(jìn)的過程大概需要兩年時(shí)間。
雖然地球表面有超過70%被水覆蓋，但是我們可以直接使用的淡水卻并不算多。海洋中的苦澀咸水占了總水量的97.5%，剩下的淡水又大部分集中在南北極和冰川上。數(shù)百萬年來，人類只能依靠僅占總水量0.2%的淡水生存。
將海水變?yōu)榈莻€歷史悠久的課題。雖然早在1954年人們就修建了大規(guī)模的海水淡化廠，但是直到目前為止，最常見的海水脫鹽方式依然是半透膜反滲透或者多級閃蒸。前者利用薄膜讓水分子通過而阻止其他雜質(zhì)，后者則通過多次壓力降低讓水迅速以蒸汽的形式逸出。這兩種方式的成本都比較高，而且并不適合制造成便攜式的淡化裝置?，F(xiàn)在麻省理工學(xué)院和韓國的研究者們制造出一種可以用于淡化海水的芯片，為海水淡化提供了一種新思路。
這種芯片與傳統(tǒng)集成電路芯片的制作方式類似，通過簡單的光刻和腐蝕工藝就可以完成。它可以將海水中鹽類的濃度提升并且通過一條通道排出，而從另一條通道中產(chǎn)生相當(dāng)不錯的淡水。它基于一種叫做離子濃差極化(ICP，Ion Concentration Polarization)的現(xiàn)象來實(shí)現(xiàn)這種淡化過程，而其低能耗的特征令人印象深刻：制造1000升淡水，只需要3.5度電。
離子濃差極化是一種向電解質(zhì)溶液通電時(shí)會發(fā)生的現(xiàn)象。當(dāng)電極上流過電流時(shí)，在那些離電極較近的溶液中離子會靠近異性電極，而遠(yuǎn)處溶液中的離子又來不及補(bǔ)充，從而在電極外制造出一層離子濃度較低的溶液層。這種現(xiàn)象在電解和電鍍的過程中是有害的，因?yàn)樗馕吨枰鼜?qiáng)的電流或者頻繁的攪拌來減小離子分布不均勻帶來的負(fù)面影響;而在麻省理工學(xué)院開發(fā)的這種凈水芯片中，卻剛好利用了這一層薄薄的低濃度溶液—它也就意味著高質(zhì)量的淡水。
麻省理工學(xué)院電子電氣和計(jì)算機(jī)學(xué)院的博士后Sung Jae Kim和助教Jongyoon Han以及他們的韓國同事在一塊郵票大小的軟硅膠基板上制造出了這種分離淡水的裝置。芯片上微小的水道呈Y字型，中間的交點(diǎn)就是鹽水和淡水的分離處，和V字型的地線相連。在加上75伏電壓以后，流經(jīng)入水通道的海水將會在交叉點(diǎn)分道揚(yáng)鑣：高濃度的溶液會經(jīng)由鹽水出口排出，而人們可以從淡水口收集那層離子濃度低的溶液。
這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于水道的寬度和電壓。如果寬度過于寬的話，那么電極表面的低濃度溶液，也就是我們需要的淡水將會混合著鹽水一起排出;而寬度過窄的話，將會造成能量的浪費(fèi)，以及減小出水量?，F(xiàn)在在這塊芯片原型上，入水通道的寬度是0.5毫米，而每個出水口寬度只有0.25毫米，深度是0.1毫米左右。它的測試效果令人振奮。
在測試中，研究人員首先在馬薩諸塞州伊普斯維奇的Crane海灘取得海水樣本，在其中加入了血細(xì)胞、一些垃圾碎片和別的物質(zhì)來讓其更加符合海水的實(shí)際情況，然后用過濾裝置將超過通道直徑的雜質(zhì)濾出，再將海水接入這塊芯片。在顯微鏡下可以清晰地看到，加電后半秒鐘，渾濁的海水在Y型通道的交叉點(diǎn)處分叉，清澈的水流向淡水出口，而更加渾濁的高濃度鹽水流向鹽水口。實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種方法已經(jīng)能夠去除海水中99%的鹽分和其他雜質(zhì)，產(chǎn)出的淡水占總水量的一半。當(dāng)然，這種方法只能用于去除帶電的離子和雜質(zhì)，對于電中性的微粒來說并不適用。從淡水口產(chǎn)出的水依然需要通過例如活性炭過濾這樣的方式來處理，才能夠成為安全的飲用水。“這種芯片可以將海水和苦咸水中的細(xì)菌和其他粒子分離出去，而且不會產(chǎn)生任何堵塞問題?！盝ongyoon Han說，“這在美國可能不是什么大問題。但是在印度，很多的飲用水都是苦咸水或者咸水，這個特點(diǎn)就顯得非常重要了。”
現(xiàn)在，這種凈水芯片的工藝和成本已經(jīng)不算大問題，畢竟光刻和腐蝕工藝在數(shù)十年的發(fā)展過程中變得相當(dāng)成熟，研究者們更關(guān)注的是它的工作效率。在這個實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品中，因?yàn)橥ǖ廊萘康南拗?，每分鐘可以入?.02毫升，而只能產(chǎn)水0.01毫升。這意味著，如果滿足一個成年人一天4升的飲水需求，一塊芯片需要工作9個月。
將大量這類芯片集成到一起，可能是更好的辦法。研究者們現(xiàn)在開始制造一個擁有100個凈水單元的面板，來驗(yàn)證規(guī)?；蓪γ擕}處理結(jié)果的影響，以及嘗試完成一個包含1萬個凈水單元的系統(tǒng)。在理想狀況下，這樣的一個系統(tǒng)每小時(shí)可以生產(chǎn)6升淡水，足以支持一個中型家庭的需要。
在偏遠(yuǎn)地區(qū)和欠發(fā)達(dá)地區(qū)，這套海水淡化裝置將可以利用太陽能電池產(chǎn)生的電力來運(yùn)行，只需要將海水從裝置頂部灌入，就可以借助重力的幫助，從底部收集淡水。它還可能會成為災(zāi)難救援的好工具，也會為其他需要便攜式海水淡化裝置的場合提供幫助。然而，在這種美好前景面前，這種芯片依然需要經(jīng)過大規(guī)模集成的實(shí)驗(yàn)和測試難關(guān)，才能確定它是否真正具有推廣價(jià)值。研究者們認(rèn)為，進(jìn)行規(guī)?；透倪M(jìn)的過程大概需要兩年時(shí)間。
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