原標(biāo)題：石墨烯做“篩子”，海水淡化更高效

看過《少年派的奇幻漂流》《魯濱遜漂流記》等探險類電影的人都知道，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，如果此時求生者擁有一個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)獎一等獎的項目“固液微觀界面動力學(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。該項目由華東理工大學(xué)物理學(xué)院教授方海平團(tuán)隊研發(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，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被忽視。

方海平團(tuán)隊運用統(tǒng)計物理理論，認(rèn)識到離子-π作用在水溶液中的重要性，并結(jié)合量子力學(xué)計算，開發(fā)了相應(yīng)的分子動力學(xué)計算軟件。團(tuán)隊提出要利用離子精確控制石墨烯膜的層間距，以實現(xiàn)離子篩分和海水淡化。令人興奮的是，這一想法被實驗成功驗證，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)隊歷時幾年研發(fā)出一款石墨烯復(fù)合海水淡化膜。根據(jù)裝機(jī)實測結(jié)果顯示，該膜的水通量約為美國陶氏2019年報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)隊還在石墨烯表面觀察到了一氯化鈣二維晶體?！斑@個發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)觀念。因為人們通常認(rèn)為，鈣是二價的，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?！狈胶Ｆ秸f。

這些一氯化鈣二維晶體展現(xiàn)出非常獨特的性質(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，也是方海平獲獎項目的重要成果。水滴在落入水面后，通常會很快擴(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，方海平團(tuán)隊提出了一個反傳統(tǒng)的理論預(yù)言。研究團(tuán)隊設(shè)計出一個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)外多個科研團(tuán)隊的驗證，其中包括美國科學(xué)院院士的科研團(tuán)隊?？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)計思路。

“多年來，我們的工作主要是運用理論物理方法，結(jié)合統(tǒng)計物理分析和分子動力學(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)?！狈胶Ｆ秸f。