從《少年派的奇幻漂流》到《魯濱孫漂流記》，人在孤島不毛之地尤其是茫茫大海上，面臨最大的生存挑戰(zhàn)便是如何獲取淡水。試想一下，如果他擁有一個小型手持裝置，只有杯子大小，就能快速從海水中提取大量淡水，生存概率將大大增加。
23日在滬頒授的上海市自然科學(xué)一等獎獲獎項目，就可以讓少年派、魯濱孫等不再愁。華東理工大學(xué)物理學(xué)院方海平教授團(tuán)隊“固液微觀界面動力學(xué)性質(zhì)的理論研究及其應(yīng)用”已有一項落地成果——這一款便攜式的海水淡化器，其外形和尺寸類似保溫杯，重量還不到1公斤，就可為落海者提供超過一周的淡水。
據(jù)悉，這也是華理作為牽頭單位項目獲得的5項一等獎、10項二等獎之一，總計15項大獎成果讓他們成為2023年度上海市科學(xué)技術(shù)獎大會的獲獎大戶。
華理上海市科技進(jìn)步獎一等獎項目“大型水泥生產(chǎn)過程智能控制與優(yōu)化運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用”示范工廠鳥瞰。
【裝機(jī)實測水通量達(dá)陶氏海水淡化膜15倍】
那么，“杯子淡化海水”的奧秘是什么？其實，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。
眾所周知，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)使其在能源、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。長期以來，專注于水研究的方海平教授從2008年開始接受這項挑戰(zhàn)。
化學(xué)家們早就發(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，這被稱為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)隊基于統(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)的計算軟件，提出應(yīng)當(dāng)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，他們的實驗成功驗證了這一理論預(yù)言。解放日報·上觀新聞記者了解到，相關(guān)論文已在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上發(fā)表。
基于離子控制石墨烯膜的基礎(chǔ)研究，團(tuán)隊成功研發(fā)出一款實用化的石墨烯復(fù)合海水淡化膜。根據(jù)裝機(jī)實測的結(jié)果，這種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)的實用化海水淡化膜之一。此外，團(tuán)隊研制出“保溫杯”大小的便攜式海水淡化器，成果已入選上海市綠色技術(shù)目錄。
【新發(fā)現(xiàn)罕見特性，反傳統(tǒng)理論預(yù)言】
不止于為海水淡化提供理論支撐，方海平教授團(tuán)隊的另一個重要成果，在于他們在石墨烯表面觀察到了一氯化鈣的二維晶體。
“這個發(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。”方海平說。
實際上，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，還具有室溫下的鐵磁性。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)領(lǐng)域，以及在儲氫、催化劑等方面的應(yīng)用上，它們都會大有用武之地。
對“水滴在水層上”的奇異現(xiàn)象進(jìn)行理論預(yù)言，也是方海平獲獎項目的重要成果。人們?nèi)粘Ｋ姷模撬卧诼淙胨婧�，會很快擴(kuò)散開并融入水體中。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)隊提出了一個反傳統(tǒng)的理論預(yù)言。
研究團(tuán)隊設(shè)計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)和電荷大小都可以接受調(diào)控。這樣一來，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。研究論文于2009年首次發(fā)表后，這一預(yù)言很快獲得國內(nèi)外多個課題組的驗證，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，這項進(jìn)展有望為發(fā)展既不易沾污又能減阻的材料提出新的設(shè)計思路，例如應(yīng)用于船舶表面防污涂層、醫(yī)用血管支架等領(lǐng)域。“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，獲得了一些普遍規(guī)律，相信還有更多的規(guī)律等待我們一起去發(fā)現(xiàn)，并深入應(yīng)用。”方海平說。
上海市自然科學(xué)獎一等獎項目華理“組裝誘導(dǎo)純有機(jī)室溫磷光”團(tuán)隊在一起。
解放日報·上觀新聞記者了解到，華理此次獲得上�？萍吉剟畹捻椖浚腥种䴙樽匀豢茖W(xué)獎類別，其中包括化學(xué)學(xué)院馬驤教授領(lǐng)銜的“組裝誘導(dǎo)純有機(jī)室溫磷光”項目等一等獎2項，還有材料學(xué)院侯宇教授領(lǐng)銜的“新型太陽能電池的關(guān)鍵材料設(shè)計及性能調(diào)控機(jī)制研究”項目等二等獎8項。從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究，“企業(yè)行業(yè)出題、校企共答、市場閱卷”，多個獲獎項目聚焦“大安全”“大健康”兩大領(lǐng)域，聚焦新能源、新材料“兩新”特色，培育新質(zhì)生產(chǎn)力并為發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力帶來高水平轉(zhuǎn)化。
