华东理工大学物理学院方海平教授团队“固液微观界面动力学性质的理论研究及其应用”，昨天获上海市自然科学一等奖，该项目的一项落地成果——外形和尺寸类似保温杯的便携式海水淡化器，重量不到1公斤，能快速从海水中提取大量淡水。
“杯子淡化海水”的原理很简单——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。
石墨烯膜是由碳原子组成的蜂窝状平面薄膜，其独特的二维结构使其在能源、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膜的“层间距”控制在十分之一纳米的精度，方海平教授从2008年开始专注这项挑战。
化学家们早就发现，石墨烯的蜂窝状结构具有一种特殊的电子行为，这被称为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，并提出应当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。他们的实验成功验证了这一理论预言，相关论文已在国际顶尖学术期刊《自然》（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，这种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，团队还研制出“保温杯”大小的便携式海水淡化器，成果已入选上海市绿色技术目录。
不只为海水淡化提供理论支撑，方海平教授团队还在石墨烯表面观察到了一氯化钙的二维晶体。“这个发现颠覆了传统观念，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，并且是绝缘的。”方海平说。
实际上，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，还具有室温下的铁磁性。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、导电电极等研发领域，以及在储氢、催化剂等方面的应用上，它们大有用武之地。
本文刊于2024年10月24日解放日报04版聚焦2023年度上海市科学技术奖