“保溫杯”輕松淡化海水

“保溫杯”輕松淡化海水，華理學者揭示固液微觀界面奧秘

科學網 江慶齡 / 時間：2024-10-25 10:18:25

科學網10月23日訊：在電影《少年派的奇幻漂流》中，少年在茫茫大海中生存面臨的**挑戰是難以獲取淡水。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，他的生存概率無疑將大大增加。

10月23日，2023年度上海市科學技術獎公布，由華東理工大學物理學院教授方海平領銜的研究項目“固液微觀界面動力學性質的理論研究及其應用”獲自然科學一等獎。

該項目中有一項落地成果——便攜式海水淡化器。這款海水淡化器的外形和尺寸類似保溫杯，不到1公斤重，可為落海者提供超過一周的淡水。其內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，獨特的二維結構使它在能源、材料等領域展現出巨大的應用潛力。國際上普遍希望利用石墨烯的二維特性來構筑高性能的分離膜，以解決污水處理和海水淡化等領域的核心技術難題。然而，這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**挑戰性的課題。

石墨烯的蜂窩狀結構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生強烈的相互作用，形成離子-π作用。方海平團隊研究證實了離子-π作用在水溶液中的重要性，并開發了相應的計算軟件，提出利用離子精確控制石墨烯膜層間距的方法，從而實現離子篩分和海水淡化。2017年，相關研究發表于《自然》。

進一步地，團隊成功研發出一款實用化的石墨烯復合海水淡化膜。根據裝機實測的結果，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***的實用化海水淡化膜之一。此外，團隊還制造出“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目錄。

在石墨烯表面觀察到一氯化鈣二維晶體則是方海平團隊的另一項重要成果是。這些一氯化鈣二維晶體具有導電性、室溫鐵磁性，同時具備壓電性質和金屬性質，在晶體管、磁性裝置、導電電極等研發以及儲氫、催化劑等應用中，它們都將大有用武之地。“這個發現顛覆了傳統觀念，因為人們通常認為，鈣是二價的，它的化合物必然是二氯化鈣，不可能具有鐵磁性并且絕緣。”方海平表示。

對“水滴在水層上”的奇異現象進行理論預言，也是方海平獲獎項目的重要成果。研究團隊設計了帶極化電荷的固體平面作為一般表面的模型，晶格常數和電荷大小都可以調控。在表面上晶格和電荷的誘導下，水分子會形成有序結構，不再鋪展開，而是呈現“水滴在水層上”的現象。相關研究成果在2009年發表，隨后得到了國內外多個課題組的驗證，在金屬、礦物、氧化物等10多種材料表面都發現了類似現象。值得一提是，這項進展有望為發展既不沾污又減阻的材料提出新的設計思路，例如在船舶表面防污涂層、醫用血管支架等領域的應用。

常溫下水滴在水層上。圖片由方海平團隊提供

“多年來，我們的工作主要是運用理論物理方法，結合統計物理分析和分子動力學模擬，研究水在表面、細通道內和響應體系中離子對其行為的影響，獲得了一些普遍規律，相信也還有更多的規律等待我們一起去發現，并深入應用。”方海平說。