看過《少年派的奇幻漂流》《魯濱遜漂流記》等探險(xiǎn)類電影的人都知道，在孤島或茫茫大海中求生，如何獲取淡水是最大挑戰(zhàn)。試想一下，如果此時(shí)求生者擁有一個(gè)能快速從海水中提取大量淡水的小型手持裝置，生存概率將大大提高。
日前獲得上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的項(xiàng)目“固液微觀界面動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理論研究及其應(yīng)用”，就可以讓“少年派”“魯濱遜”不再發(fā)愁。該項(xiàng)目由華東理工大學(xué)物理學(xué)院教授方海平團(tuán)隊(duì)研發(fā)，目前其科研成果——便攜式海水淡化器已成功落地。這款海水淡化器外形和尺寸類似保溫杯，重量不到1公斤，可為使用者提供超過1周的淡水。
為海水淡化提供理論支撐
這款形似保溫杯的海水淡化器原理并不復(fù)雜。它的內(nèi)部采用了特殊的氧化石墨烯膜，從而在有效阻擋并過濾鹽離子的同時(shí)，允許水分子通過。
石墨烯是由碳原子組成的蜂窩狀平面薄膜。其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在能源、材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。國際上，研究人員普遍希望利用石墨烯的二維特性來構(gòu)筑高性能的分離膜，以解決污水處理和海水淡化等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難題。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要將石墨烯的層間距控制在十分之一納米的精度，這無疑是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。長期專注水研究的方海平于2008年著手開展相關(guān)研究。
化學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)，石墨烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)具有一種特殊的電子行為，被稱為π電子。π電子能夠與鈉離子等陽離子產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，形成離子-π作用。然而，由于水合離子的存在，這種作用在水溶液中通常會(huì)被忽視。
方海平團(tuán)隊(duì)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)物理理論，認(rèn)識(shí)到離子-π作用在水溶液中的重要性，并結(jié)合量子力學(xué)計(jì)算，開發(fā)了相應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件。團(tuán)隊(duì)提出要利用離子精確控制石墨烯膜的層間距，以實(shí)現(xiàn)離子篩分和海水淡化。令人興奮的是，這一想法被實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證，相關(guān)論文在《自然》雜志發(fā)表。
基于離子控制石墨烯膜的基礎(chǔ)研究，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)幾年研發(fā)出一款石墨烯復(fù)合海水淡化膜。根據(jù)裝機(jī)實(shí)測結(jié)果顯示，該膜的水通量約為美國陶氏2019年報(bào)道的海水淡化膜水通量的15倍，是目前在水通量方面最先進(jìn)的實(shí)用化海水淡化膜。此外，這款保溫杯大小的便攜式海水淡化器已入選上海市綠色技術(shù)目錄。
發(fā)現(xiàn)石墨烯表面罕見特性
除了為海水淡化提供理論支撐之外，方海平團(tuán)隊(duì)還在石墨烯表面觀察到了一氯化鈣二維晶體。“這個(gè)發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)觀念。因?yàn)槿藗兺ǔＵJ(rèn)為，鈣是二價(jià)的，它的化合物必然是二氯化鈣，因此不可能具有鐵磁性，并且是絕緣的。”方海平說。
這些一氯化鈣二維晶體展現(xiàn)出非常獨(dú)特的性質(zhì)。它們不僅具備導(dǎo)電性、室溫鐵磁性而且還罕見地同時(shí)具備壓電性質(zhì)和金屬性質(zhì)。這預(yù)示著，在晶體管、磁性裝置、導(dǎo)電電極的研發(fā)以及儲(chǔ)氫、催化劑等方面的應(yīng)用上，它們都將大有用武之地。
一氯化鈣二維晶體的鐵磁性表明，并非傳統(tǒng)的鐵磁物質(zhì)（例如鐵）才有非常強(qiáng)的磁響應(yīng)。這為理解生物磁效應(yīng)提供了新的研究方向，并為發(fā)展不含重金屬且具有更好生物相容性的磁性靶向藥物設(shè)計(jì)提供新方案，也為量子生物學(xué)提供新思路。
此外，對“水滴在水層上”的奇異現(xiàn)象進(jìn)行理論預(yù)言，也是方海平獲獎(jiǎng)項(xiàng)目的重要成果。水滴在落入水面后，通常會(huì)很快擴(kuò)散開并融入水中。然而，針對“常溫下水總是完全浸潤于水”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，方海平團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)反傳統(tǒng)的理論預(yù)言。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一個(gè)帶極化電荷的固體平面作為一般表面的模型。其中，模型的晶格常數(shù)和電荷大小都可以調(diào)控。這樣，在晶格和電荷的誘導(dǎo)下，水分子會(huì)形成有序結(jié)構(gòu)。形成類似于冰的結(jié)構(gòu)，在這層水上，水分子不再鋪展開，而是形成水滴，呈現(xiàn)“水滴在水層上”的現(xiàn)象。另外，這層水還阻止了水層下面固體被污染。
研究論文于2009年首次發(fā)表后，這一預(yù)言很快獲得了國內(nèi)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證，其中包括美國科學(xué)院院士的科研團(tuán)隊(duì)?？蒲腥藛T在金屬、礦物、氧化物甚至生物分子表面等10多種材料表面都發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，表明該現(xiàn)象在自然界普遍存在。這項(xiàng)進(jìn)展有望為發(fā)展既不沾污又減阻的材料提供新的設(shè)計(jì)思路。
“多年來，我們的工作主要是運(yùn)用理論物理方法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)物理分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究在表面、細(xì)通道內(nèi)和響應(yīng)體系中的離子對水的行為影響。目前我們已經(jīng)獲得了一些普遍規(guī)律，相信還有更多的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。”方海平說。
看過《少年派的奇幻漂流》《魯濱遜漂流記》等探險(xiǎn)類電影的人都知道，在孤島或茫茫大海中求生，如何獲取淡水是最大挑戰(zhàn)。試想一下，如果此時(shí)求生者擁有一個(gè)能快速從海水中提取大量淡水的小型手持裝置，生存概率將大大提高。
日前獲得上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)的項(xiàng)目“固液微觀界面動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理論研究及其應(yīng)用”，就可以讓“少年派”“魯濱遜”不再發(fā)愁。該項(xiàng)目由華東理工大學(xué)物理學(xué)院教授方海平團(tuán)隊(duì)研發(fā)，目前其科研成果——便攜式海水淡化器已成功落地。這款海水淡化器外形和尺寸類似保溫杯，重量不到1公斤，可為使用者提供超過1周的淡水。
為海水淡化提供理論支撐
這款形似保溫杯的海水淡化器原理并不復(fù)雜。它的內(nèi)部采用了特殊的氧化石墨烯膜，從而在有效阻擋并過濾鹽離子的同時(shí)，允許水分子通過。
石墨烯是由碳原子組成的蜂窩狀平面薄膜。其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在能源、材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。國際上，研究人員普遍希望利用石墨烯的二維特性來構(gòu)筑高性能的分離膜，以解決污水處理和海水淡化等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)難題。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，就要將石墨烯的層間距控制在十分之一納米的精度，這無疑是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。長期專注水研究的方海平于2008年著手開展相關(guān)研究。
化學(xué)家們很早就發(fā)現(xiàn)，石墨烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)具有一種特殊的電子行為，被稱為π電子。π電子能夠與鈉離子等陽離子產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，形成離子-π作用。然而，由于水合離子的存在，這種作用在水溶液中通常會(huì)被忽視。
方海平團(tuán)隊(duì)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)物理理論，認(rèn)識(shí)到離子-π作用在水溶液中的重要性，并結(jié)合量子力學(xué)計(jì)算，開發(fā)了相應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件。團(tuán)隊(duì)提出要利用離子精確控制石墨烯膜的層間距，以實(shí)現(xiàn)離子篩分和海水淡化。令人興奮的是，這一想法被實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證，相關(guān)論文在《自然》雜志發(fā)表。
基于離子控制石墨烯膜的基礎(chǔ)研究，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)幾年研發(fā)出一款石墨烯復(fù)合海水淡化膜。根據(jù)裝機(jī)實(shí)測結(jié)果顯示，該膜的水通量約為美國陶氏2019年報(bào)道的海水淡化膜水通量的15倍，是目前在水通量方面最先進(jìn)的實(shí)用化海水淡化膜。此外，這款保溫杯大小的便攜式海水淡化器已入選上海市綠色技術(shù)目錄。
發(fā)現(xiàn)石墨烯表面罕見特性
除了為海水淡化提供理論支撐之外，方海平團(tuán)隊(duì)還在石墨烯表面觀察到了一氯化鈣二維晶體。“這個(gè)發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)觀念。因?yàn)槿藗兺ǔＵJ(rèn)為，鈣是二價(jià)的，它的化合物必然是二氯化鈣，因此不可能具有鐵磁性，并且是絕緣的。”方海平說。
這些一氯化鈣二維晶體展現(xiàn)出非常獨(dú)特的性質(zhì)。它們不僅具備導(dǎo)電性、室溫鐵磁性而且還罕見地同時(shí)具備壓電性質(zhì)和金屬性質(zhì)。這預(yù)示著，在晶體管、磁性裝置、導(dǎo)電電極的研發(fā)以及儲(chǔ)氫、催化劑等方面的應(yīng)用上，它們都將大有用武之地。
一氯化鈣二維晶體的鐵磁性表明，并非傳統(tǒng)的鐵磁物質(zhì)（例如鐵）才有非常強(qiáng)的磁響應(yīng)。這為理解生物磁效應(yīng)提供了新的研究方向，并為發(fā)展不含重金屬且具有更好生物相容性的磁性靶向藥物設(shè)計(jì)提供新方案，也為量子生物學(xué)提供新思路。
此外，對“水滴在水層上”的奇異現(xiàn)象進(jìn)行理論預(yù)言，也是方海平獲獎(jiǎng)項(xiàng)目的重要成果。水滴在落入水面后，通常會(huì)很快擴(kuò)散開并融入水中。然而，針對“常溫下水總是完全浸潤于水”的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，方海平團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)反傳統(tǒng)的理論預(yù)言。研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一個(gè)帶極化電荷的固體平面作為一般表面的模型。其中，模型的晶格常數(shù)和電荷大小都可以調(diào)控。這樣，在晶格和電荷的誘導(dǎo)下，水分子會(huì)形成有序結(jié)構(gòu)。形成類似于冰的結(jié)構(gòu)，在這層水上，水分子不再鋪展開，而是形成水滴，呈現(xiàn)“水滴在水層上”的現(xiàn)象。另外，這層水還阻止了水層下面固體被污染。
研究論文于2009年首次發(fā)表后，這一預(yù)言很快獲得了國內(nèi)外多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)的驗(yàn)證，其中包括美國科學(xué)院院士的科研團(tuán)隊(duì)?？蒲腥藛T在金屬、礦物、氧化物甚至生物分子表面等10多種材料表面都發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，表明該現(xiàn)象在自然界普遍存在。這項(xiàng)進(jìn)展有望為發(fā)展既不沾污又減阻的材料提供新的設(shè)計(jì)思路。
“多年來，我們的工作主要是運(yùn)用理論物理方法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)物理分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究在表面、細(xì)通道內(nèi)和響應(yīng)體系中的離子對水的行為影響。目前我們已經(jīng)獲得了一些普遍規(guī)律，相信還有更多的規(guī)律等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。”方海平說。
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