石墨烯做“篩子”，海水淡化更高效

看過《少年派的奇幻漂流》《魯濱遜漂流記》等探險類電影的人都知道，在孤島或茫茫大海中求生，如何獲取淡水是最大挑戰。試想一下，如果此時求生者擁有一個能快速從海水中提取大量淡水的小型手持裝置，生存概率將大大提高。

日前獲得上海市自然科學獎一等獎的項目“固液微觀界面動力學性質的理論研究及其應用”，就可以讓“少年派”“魯濱遜”不再發愁。該項目由華東理工大學物理學院教授方海平團隊研發，目前其科研成果——便攜式海水淡化器已成功落地。這款海水淡化器外形和尺寸類似保溫杯，重量不到1公斤，可為使用者提供超過1周的淡水。

為海水淡化提供理論支撐

這款形似保溫杯的海水淡化器原理并不復雜。它的內部采用了特殊的氧化石墨烯膜，從而在有效阻擋并過濾鹽離子的同時，允許水分子通過。

石墨烯是由碳原子組成的蜂窩狀平面薄膜。其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，研究人員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關鍵技術難題。然而，要實現這一目標，就要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性的課題。長期專注水研究的方海平于2008年著手開展相關研究。

化學家們很早就發現，石墨烯的蜂窩狀結構具有一種特殊的電子行為，被稱為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。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。

方海平團隊運用統計物理理論，認識到離子-π作用在水溶液中的重要性，并結合量子力學計算，開發了相應的分子動力學計算軟件。團隊提出要利用離子精確控制石墨烯膜的層間距，以實現離子篩分和海水淡化。令人興奮的是，這一想法被實驗成功驗證，相關論文在《自然》雜志發表。

基于離子控制石墨烯膜的基礎研究，團隊歷時幾年研發出一款石墨烯復合海水淡化膜。根據裝機實測結果顯示，該膜的水通量約為美國陶氏2019年報道的海水淡化膜水通量的15倍，是目前在水通量方面最先進的實用化海水淡化膜。此外，這款保溫杯大小的便攜式海水淡化器已入選上海市綠色技術目錄。

發現石墨烯表面罕見特性

除了為海水淡化提供理論支撐之外，方海平團隊還在石墨烯表面觀察到了一氯化鈣二維晶體。“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，因此不可能具有鐵磁性，并且是絕緣的。”方海平說。

這些一氯化鈣二維晶體展現出非常獨特的性質。它們不僅具備導電性、室溫鐵磁性而且還罕見地同時具備壓電性質和金屬性質。這預示著，在晶體管、磁性裝置、導電電極的研發以及儲氫、催化劑等方面的應用上，它們都將大有用武之地。

一氯化鈣二維晶體的鐵磁性表明，并非傳統的鐵磁物質（例如鐵）才有非常強的磁響應。這為理解生物磁效應提供了新的研究方向，并為發展不含重金屬且具有更好生物相容性的磁性靶向藥物設計提供新方案，也為量子生物學提供新思路。

此外，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。水滴在落入水面后，通常會很快擴散開并融入水中。然而，針對“常溫下水總是完全浸潤于水”的傳統觀點，方海平團隊提出了一個反傳統的理論預言。研究團隊設計出一個帶極化電荷的固體平面作為一般表面的模型。其中，模型的晶格常數和電荷大小都可以調控。這樣，在晶格和電荷的誘導下，水分子會形成有序結構。形成類似于冰的結構，在這層水上，水分子不再鋪展開，而是形成水滴，呈現“水滴在水層上”的現象。另外，這層水還阻止了水層下面固體被污染。

研究論文于2009年首次發表后，這一預言很快獲得了國內外多個科研團隊的驗證，其中包括美國科學院院士的科研團隊。科研人員在金屬、礦物、氧化物甚至生物分子表面等10多種材料表面都發現了類似現象，表明該現象在自然界普遍存在。這項進展有望為發展既不沾污又減阻的材料提供新的設計思路。

“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，研究在表面、細通道內和響應體系中的離子對水的行為影響。目前我們已經獲得了一些普遍規律，相信還有更多的規律等待我們去發現。”方海平說。