華東理工大學(xué)物理學(xué)院方海平教授團(tuán)隊(duì)“固液微觀界面動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理論研究及其應(yīng)用”，昨天獲上海市自然科學(xué)一等獎(jiǎng)，該項(xiàng)目的一項(xiàng)落地成果——外形和尺寸類(lèi)似保溫杯的便攜式海水淡化器，重量不到1公斤，能快速?gòu)暮Ｋ刑崛〈罅康?/p>
“杯子淡化海水”的原理很簡(jiǎn)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(guò)濾鹽離子，同時(shí)允許水分子通過(guò)。
石墨烯膜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(guó)際上普遍希望利用石墨烯的二維特性來(lái)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)要求將石墨烯膜的“層間距”控制在十分之一納米的精度，方海平教授從2008年開(kāi)始專(zhuān)注這項(xiàng)挑戰(zhàn)。
化學(xué)家們?cè)缇桶l(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(chēng)為π電子。π電子能夠與鈉離子等陽(yáng)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(huì)被忽視。方海平團(tuán)隊(duì)基于統(tǒng)計(jì)物理理論，認(rèn)識(shí)到“離子-π”作用在水溶液中的重要性，并提出應(yīng)當(dāng)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。他們的實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了這一理論預(yù)言，相關(guān)論文已在國(guó)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(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(cè)的結(jié)果，這種膜的水通量約為美國(guó)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)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。
不只為海水淡化提供理論支撐，方海平教授團(tuán)隊(duì)還在石墨烯表面觀察到了一氯化鈣的二維晶體。“這個(gè)發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)觀念，人們通常認(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，并且是絕緣的。”方海平說(shuō)。
實(shí)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(jiàn)的是，它們同時(shí)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(chǔ)氫、催化劑等方面的應(yīng)用上，它們大有用武之地。
