保温杯轻松淡化海水华理学者揭示固液微观界面奥秘
“保温杯”轻松淡化海水，华理学者揭示固液微观界面奥秘
在电影《少年派的奇幻漂流》中，少年在茫茫大海中生存面临的最大挑战是难以获取淡水。如果他拥有一个小型手持装置，能够快速从海水中提取淡水，他的生存概率无疑将大大增加。
10月23日，2023年度上海市科学技术奖公布，由华东理工大学物理学院教授方海平领衔的研究项目“固液微观界面动力学性质的理论研究及其应用”获自然科学一等奖。
该项目中有一项落地成果——便携式海水淡化器。这款海水淡化器的外形和尺寸类似保温杯，不到1公斤重，可为落海者提供超过一周的淡水。其内部采用了特殊的氧化石墨烯膜，能够有效阻挡并过滤盐离子，同时允许水分子通过。
众所周知，石墨烯是由碳原子组成的蜂窝状平面薄膜，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。国际上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核心技术难题。然而，这要求将石墨烯的层间距控制在十分之一纳米的精度，这无疑是一个极具挑战性的课题。
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。方海平团队研究证实了离子-π作用在水溶液中的重要性，并开发了相应的计算软件，提出利用离子精确控制石墨烯膜层间距的方法，从而实现离子筛分和海水淡化。2017年，相关研究发表于《自然》。
进一步地，团队成功研发出一款实用化的石墨烯复合海水淡化膜。根据装机实测的结果，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，团队还制造出“保温杯”大小的便携式海水淡化器，该成果已入选上海市绿色技术目录。
在石墨烯表面观察到一氯化钙二维晶体则是方海平团队的另一项重要成果是。这些一氯化钙二维晶体具有导电性、室温铁磁性，同时具备压电性质和金属性质，在晶体管、磁性装置、导电电极等研发以及储氢、催化剂等应用中，它们都将大有用武之地。“这个发现颠覆了传统观念，因为人们通常认为，钙是二价的，它的化合物必然是二氯化钙，不可能具有铁磁性并且绝缘。”方海平表示。
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。研究团队设计了带极化电荷的固体平面作为一般表面的模型，晶格常数和电荷大小都可以调控。在表面上晶格和电荷的诱导下，水分子会形成有序结构，不再铺展开，而是呈现“水滴在水层上”的现象。相关研究成果在2009年发表，随后得到了国内外多个课题组的验证，在金属、矿物、氧化物等10多种材料表面都发现了类似现象。值得一提是，这项进展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。
常温下水滴在水层上。图片由方海平团队提供
“多年来，我们的工作主要是运用理论物理方法，结合统计物理分析和分子动力学模拟，研究水在表面、细通道内和响应体系中离子对其行为的影响，获得了一些普遍规律，相信也还有更多的规律等待我们一起去发现，并深入应用。”方海平说。
