用“杯子”淡化海水——记上海市自然科学一等奖固液微观界面动力学性质的理论研究及其应用

编者按 近日，上海市人民政府印发《关于表彰2023年度上海市科学技术奖获奖人员(项目)的决定》，多项石油和化工行业的技术成果获得2023年度上海市科学技术奖，涵盖精细化工、新材料等领域。本版今日起推出《2023上海市科技奖成果展示》系列报道，遴选部分突出的科技成果，与读者共飨。

　　电影《少年派的奇幻漂流》中，少年在茫茫大海中面临的最大挑战是获取淡水。华东理工大学物理学院方海平教授团队研究的固液微观界面动力学性质的理论研究及其应用的一项落地成果——外型和尺寸类似保温杯的便携式海水淡化器，就可以快速从海水中提取大量淡水。近日，该项目获得上海市自然科学一等奖。

　　“杯子”淡化海水的原理很简单，因为杯子内部采用了特殊的氧化石墨烯膜，能够有效过滤盐离子，并允许水分子通过。

　　据方海平介绍，石墨烯是由碳原子组成的蜂窝状平面薄膜，其独特的二维结构使它在能源、材料等领域展现出巨大的应用潜力。研究人员普遍希望利用石墨烯的二维特性来构筑高性能的分离膜，以解决污水处理和海水淡化等领域的技术难题。

　　然而，这一目标的实现要求将石墨烯的层间距控制在十分之一纳米的精度，这无疑极具挑战。长期以来专注于水研究的方海平于2008年开始接受这项挑战。

　　化学家们很早就发现，石墨烯的蜂窝状结构具有一种特殊的电子行为，称为π电子。π电子能够与钠离子等阳离子产生强烈的相互作用，形成离子-π作用。然而，由于水合离子的存在，这种作用在水溶液中通常会被忽视。

　　方海平团队基于统计物理理论，认识到离子-π作用在水溶液中的重要性，并结合量子力学计算，开发了相应的计算软件，提出要利用离子精确控制石墨烯膜的层间距，以实现离子筛分和海水淡化。

　　基于离子控制石墨烯膜的基础研究，团队成功研发出一款实用化的石墨烯复合海水淡化膜。根据装机实测结果，该膜的水通量约为美国陶氏海水淡化膜水通量的15倍，是目前最先进的实用化海水淡化膜之一。此外，该团队还制造出保温杯大小的便携式海水淡化器，成果已入选上海市绿色技术目录。

　　除了为海水淡化提供理论支撑，方海平团队还在石墨烯表面观察到了一氯化钙二维晶体。“这个发现颠覆了传统观念，人们通常认为钙是二价的，它的化合物必然是二氯化钙，因此不可能具有铁磁性并且绝缘。”方海平说。

　　实际上，这些一氯化钙二维晶体展现出非常独特的性质，不仅具备导电性，还具有室温铁磁性。更为罕见的是，它们同时具备压电性质和金属性质——这些特性预示着，在晶体管、磁性装置、导电电极等研发以及在储氢、催化剂等方面的应用上，它们都将大有用武之地。

　　对“水滴在水层上”的奇异现象进行理论预言，也是方海平获奖项目的重要成果。

　　人们普遍认为水滴在落入水面后，会很快扩散开并融入水中。然而，针对常温下水总是完全浸润于水的传统观点，方海平团队提出了一个反传统的理论预言。研究团队设计出带极化电荷的固体平面作为一般表面的模型，在晶格和电荷的诱导下，水分子会形成有序结构，这层结构上的水分子不再铺展开，而是形成水滴，呈现出“水滴在水层上”的现象。

　　2009年，该研究论文发表后，很快获得国内外多个课题组的验证。研究人员在金属、矿物、氧化物等10多种材料表面都发现了类似现象，表明该现象在自然界中普遍存在。

　　该成果有望为发展既不沾污又减阻的材料提出新的设计思路，例如在船舶表面防污涂层、医用血管支架等领域的应用。