房树芬 科技日报记者 王春
从《少年派的奇幻漂流》到《鲁滨孙漂流记》，人在孤岛不毛之地尤其是茫茫大海上，面临最大的生存挑战便是如何获取淡水。试想一下，如果他拥有一个小型手持装置，只有杯子大小，就能快速从海水中提取大量淡水，生存概率将大大增加。
10月23日在沪颁授的上海市自然科学一等奖获奖项目，就可以让少年派、鲁滨孙等不再愁。华东理工大学（以下简称华理）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”已有一项落地成果——这一款便携式的海水淡化器，其外形和尺寸类似保温杯，重量还不到1公斤，就可为落海者提供超过一周的淡水。
那么，“杯子淡化海水”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。
众所周知，石墨烯是由碳原子组成的蜂窝状平面薄膜。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关键技术难题。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。
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《自然》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。“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，并且是绝缘的。”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。
“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，研究在表面、细通道内和响应体系中的离子对水的行为影响，获得了一些普遍规律，相信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。