在李安导演的电影《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获取淡水。试想一下，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，他的生存概率将大大增加。
而华东理工大学物理学院方海平教授团队的研究项目“固液微观界面动力学性质的理论研究及其应用”就有一项落地成果——一款便携式海水淡化器，外形和尺寸类似保温杯的它，重量不到1公斤，可为落海者提供超过一周的淡水。10月23日，2023年度上海科技奖正式颁布，该项目获自然科学一等奖。
那么，这个“保温杯”淡化海水的奥秘是什么呢？其实原理很简单——它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。
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。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，这无疑是一个极具挑战性的课题。方海平长期以来专注于水研究，2008年开始，他决定接受这个挑战。
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。
令人兴奋的是，实验成功验证了这一理论预言，相关论文已在Nature上发表。
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。
除了为海水淡化提供理论支撑之外，方海平教授团队的另一个重要成果是，他们在石墨烯表面还观察到了一氯化钙二维晶体。
方海平教授团队在石墨烯表面观察到了一氯化钙二维晶体。 华东理工大学 供图
“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，因此不可能具有铁磁性并且绝缘。”方海平说。
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。
我们日常所见的是，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，其中，晶格常数和电荷大小都可以调控，这样，在表面上晶格和电荷的诱导下，水分子会形成有序结构，在这层结构上，水分子不再铺展开，而是形成水滴，呈现“水滴在水层上”的现象。
常温下水滴在水层上
2009年研究论文发表后，该预言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。
据介绍，这个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。
“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。
据悉，在2023年度上海市科学技术奖评选中，华东理工大学获奖项目为16项，其中一等奖5项、二等奖10项、青年科技杰出贡献奖1项。
澎湃新闻资深记者 邹佳雯 通讯员 房树芬
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