一個“保溫杯”可為落海者提供超一周的淡水，如何實(shí)現(xiàn)的？
來源： 澎湃新聞
在李安導(dǎo)演的電影《少年派的奇幻漂流》中，少年在茫茫大海中生存面臨的最大挑戰(zhàn)是獲取淡水。試想一下，如果他擁有一個小型手持裝置，能夠快速從海水中提取淡水，他的生存概率將大大增加。
而華東理工大學(xué)物理學(xué)院方海平教授團(tuán)隊(duì)的研究項(xiàng)目“固液微觀界面動力學(xué)性質(zhì)的理論研究及其應(yīng)用”就有一項(xiàng)落地成果——一款便攜式海水淡化器，外形和尺寸類似保溫杯的它，重量不到1公斤，可為落海者提供超過一周的淡水。10月23日，2023年度上�？萍吉�?wù)筋C布，該項(xiàng)目獲自然科學(xué)一等獎。
那么，這個“保溫杯”淡化海水的奧秘是什么呢？其實(shí)原理很簡單——它內(nèi)部采用了特殊的氧化石墨烯膜，能夠有效阻擋并過濾鹽離子，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(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)域的核心技術(shù)難題。
然而，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要求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。方海平長期以來專注于水研究，2008年開始，他決定接受這個挑戰(zhàn)。
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，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(duì)基于統(tǒng)計(jì)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(jì)算，開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算軟件，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，實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了這一理論預(yù)言，相關(guān)論文已在Nature上發(fā)表。
基于離子控制石墨烯膜的基礎(chǔ)研究，團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一款實(shí)用化的石墨烯復(fù)合海水淡化膜。根據(jù)裝機(jī)實(shí)測的結(jié)果，該膜的水通量約為美國陶氏海水淡化膜水通量的15倍，是目前最先進(jìn)的實(shí)用化海水淡化膜之一。此外，團(tuán)隊(duì)還制造出“保溫杯”大小的便攜式海水淡化器，該成果已入選上海市綠色技術(shù)目錄。
除了為海水淡化提供理論支撐之外，方海平教授團(tuán)隊(duì)的另一個重要成果是，他們在石墨烯表面還觀察到了一氯化鈣二維晶體。
方海平教授團(tuán)隊(duì)在石墨烯表面觀察到了一氯化鈣二維晶體。 華東理工大學(xué) 供圖
“這個發(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絕緣。”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)，不僅具備導(dǎo)電性，還具有室溫鐵磁性。更為罕見的是，它們同時具備壓電性質(zhì)和金屬性質(zhì)——這些特性預(yù)示著，在晶體管、磁性裝置、導(dǎo)電電極等研發(fā)以及在儲氫、催化劑等方面的應(yīng)用上，它們都將大有用武之地。
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(xiàng)目的重要成果。
我們?nèi)粘Ｋ姷氖�，水滴在落入水面后，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(diǎn)，方海平團(tuán)隊(duì)提出了一個反傳統(tǒng)的理論預(yù)言。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出帶極化電荷的固體平面作為一般表面的模型，其中，晶格常數(shù)和電荷大小都可以調(diào)控，這樣，在表面上晶格和電荷的誘導(dǎo)下，水分子會形成有序結(jié)構(gòu)，在這層結(jié)構(gòu)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。
常溫下水滴在水層上
2009年研究論文發(fā)表后，該預(yù)言很快獲得國內(nèi)外多個課題組的驗(yàn)證，研究人員在金屬、礦物、氧化物等10多種材料表面都發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，表明該現(xiàn)象在自然界中普遍存在。
據(jù)介紹，這個進(jìn)展有望為發(fā)展既不沾污又減阻的材料提出新的設(shè)計(jì)思路，例如在船舶表面防污涂層、醫(yī)用血管支架等領(lǐng)域的應(yīng)用。
“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)物理分析和分子動力學(xué)模擬，研究水在表面、細(xì)通道內(nèi)和響應(yīng)體系中離子對其行為的影響，獲得了一些普遍規(guī)律，相信也還有更多的規(guī)律等待我們一起去發(fā)現(xiàn)，并深入應(yīng)用。”方海平說。
據(jù)悉，在2023年度上海市科學(xué)技術(shù)獎評選中，華東理工大學(xué)獲獎項(xiàng)目為16項(xiàng)，其中一等獎5項(xiàng)、二等獎10項(xiàng)、青年科技杰出貢獻(xiàn)獎1項(xiàng)。
澎湃新聞資深記者 鄒佳雯 通訊員 房樹芬
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