最新发表的这一新技术并不复杂，将多孔材料沸石制作成纳米材料，因为这种材料具有疏水特点，导致其天然的吸附气体的特点，利用这种特点，可以让这种材料的溶液溶解大量难溶性气体如氧气，这一技术给气体是一种简单可行的气体溶解新策略，具有非常多的工业核生物医学应用前景。例如我们将来给生物组织甚至生物体，不需要气态气体，可以使用高浓度溶解的气体。养鱼的可以用简单管路输送氧气，不仅解决了简化工艺的作用而且降低了操作风险，也增加了系统的控制精确度。对临床医学来说，这可能带来急救供氧技术的一次革命，如过去的膜肺可以更加小型化和便携化升级。可以说，思路简单，价值很大。

在某种程度上，所有的气体都能与水相互作用。然而，除了反应性气体（极性分子或与水发生化学反应如二氧化碳），它们在水中的浓度很低，通常都比在有机溶剂中的浓度低得多。如果能够提高气体水溶液的浓度，这将大大提高许多化学过程和能源储存策略的可持续性。最值得注意的是，开发在水溶液中溶解大量气体(如氧气或二氧化碳)的能力将是生物医学应用的一个重大进展。Erdosy等人在《自然》杂志上报道了一种在水中形成永久性孔隙的方法，从而大大提高了水溶解气体的能力。

气体在水中的溶解在概念上可以看作是一个两步过程。第一个步骤是在液态水中形成一个足够大的空洞，以容纳气体分子，然后可以在第二步中溶解。形成空腔所需的努力只取决于纯液态水的结构和分子间的相互作用，而气体分子在空腔中的调节能力既取决于气体和水之间的相互作用，也取决于水分子在气体分子周围排列的方式。如果将气体分子带入空腔的热力学益处低于形成空腔所需的努力，则溶解是不利的，气体的溶解度低。这就是水中非反应性气体的情况。Erdosy等人开始通过在液体中引入永久空洞来增加水溶解气体的能力。简单说，就是通过加入材料把把均匀的水变成类似海绵一样的多孔结构。 

含有永久空腔的液体构成了一种称为多孔液体的新材料家族。这种液体具有多孔固体吸收大量气体的能力，但在连续应用方面有几个优点:它们可以作为液体泵入周围，而且它们的孔隙更容易接触到，这有助于大量溶质的吸收和随后从孔隙中去除。多孔液体于2007年被提出，并于2015年首次制备。它们可以由分子组成，这些分子具有永久性和稳定的内部空洞，而且不会相互渗透。然而，这种“笼”分子的合成是具有挑战性的，所产生的化合物可能是固体或液体，对于大多数应用来说，它们的粘性太大。

另一种产生多孔液体的方法是将笼分子溶解在由大分子组成的溶剂中(或由大分子离子对组成的离子液体中)，这样溶剂就不能进入笼。进一步发展这个想法，多孔液体也可以通过将多孔固体分散到分子太大而无法进入孔隙的液体中来制备。这种策略为制备基于离子液体和其他具有大分子的有机溶剂的多孔液体创造了无数机会，在任何使用液体溶剂的领域都有潜在的应用前景。因此，多孔液体的设计归结为选择多孔固体和合适的大体积液体——所做的选择决定了最终材料的性能。

然而，这种策略不能用于制备多孔水，因为在多孔固体中几乎所有的空洞都足够大，以容纳水分子。因此，Erdosy等人使用了不同的方法。他们的灵感来自生物分子，这些生物分子的空洞足够大，可以容纳水，但由于孔隙中的疏水性基团排斥水分子，所以它们仍然是空的。（如果是这样，生物组织内可能溶解了很多氧气氮气，因为生物分子本身就存在微小的疏水空洞。不需要如过去学者们苦苦寻找的体液内的微小气核。）作者决定将疏水多孔固体分散在水中，形成稳定的分散体(胶体悬浮液)，起到多孔液体的作用。他们的假设是，水分子对孔隙的低亲和力足以维持水悬浮液中的孔隙(图1)。

图1 |多孔水。a, Erdosy等制造的水中多孔固体的悬浮颗粒。固体中的孔隙能排斥水分子，因此水分子不会被颗粒吸附。相反，溶解在水中的氧分子会迅速占据空洞的孔隙。由此产生的悬浮液可以吸收比纯水多得多的氧气。b、当将含氧悬浮液注入不含溶解气体的水中(脱气水)时，氧分子自发地从微粒中排出，进入水中。

如果利用这种材料，作为溶解氢气的方法也应该很好。 

Suspended pores boost gas solubility in water (nature.com)

Erdosy及其同事使用一种被称为硅石-1(多孔固体沸石家族的成员，广泛用于工业应用)的疏水多孔固体的均匀大小的纳米晶体确实获得了稳定的悬浮液。作者还使用ZIF-8和ZIF-67获得了稳定的胶体悬浮液，ZIF-8和ZIF-67属于一组称为zeolitic咪唑盐框架(ZIFs)的多孔固体。ZIF化合物需要通过与水溶性蛋白的非共价结合或与小有机配体分子的共价结合来修饰其外表面，以稳定悬浮液。

作者发现，它们的胶体比纯液态水的密度低，这表明固体中的孔隙没有充满水分子悬浮液。分子模拟进一步证明了这一点，它表明，水分子被强制进入孔隙会自发地排出。此外，模拟表明，氧被悬浮多孔固体从水溶液中迅速吸附。

Erdosy等报道，使用体积仅为4.0%的硅晶-1纳米晶体(90纳米大小)制备的多孔水可以可逆地吸附氧，从而达到高于血液的氧水平。当多孔固体的浓度增加到体积的12.7%时，携氧能力增加到接近纯氧气体的密度值。疏水分子筛ZSM-5可以进一步提高悬浮液的孔隙率。这形成了稳定的胶体，浓度高达40%的体积-并具有极高的携氧能力，据作者所知，远远超过任何其他水性氧载体的能力。

并非所有多孔水性流体都可以用于需要高浓度气体的可持续应用。在设计特定应用的多孔水时，除了气体容量之外，还有许多因素需要考虑。例如，悬浮液的稳定性可能会影响其在储能设备中的使用，在医用氧合液中需要考虑多孔固体的毒性。但鉴于大量具有疏水孔的固体可以被设计成具有生物相容性和可持续性，我相信稳定的胶体水悬浮液将大大改善任何需要在水中添加大量气体的技术。

原则上，多孔水可用于血液替代品，并可在高通量合成化学品、气体分离以及捕获和使用CO2时，替代具有高气体容量的污染有机溶剂。它还可以帮助降低许多化学过程的能源需求，因为它可以在环境条件下使水中达到高浓度的气体。看来多孔水会一直存在。

Nature 608, 672-673 (2022)

doi: https://doi-org-443--bjmu.jitui.me/10.1038/d41586-022-02224-7