一杯“保温杯”能为落海者提供超过一周的淡水，怎么做？

在李安导演的电影《少年学校的奇幻漂流》中，少年在茫茫大海中生存面临的最大挑战是获得淡水。想象一下，如果他有一个小手持设备，能够快速从海水中获得淡水，他的生存概率会大大增加。

然而，华东理工大学物理学院海平教授团队的研究项目“固液微观界面动力学属性的理论研究及其应用”有一个落地结果——一个形状和尺寸相似的便携式海水淡化器，重量小于1KG，可以为落海者提供一周以上的淡水。10月23日，2023年上海科技奖正式颁发，该项目获得自然科学一等奖。

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——它内部使用了特殊的氧化石墨烯膜，可以有效阻挡和过滤盐离子，同时允许水通过。

石墨烯是一种由碳原子组成的蜂窝状平面膜，其独特的二维结构使其在能源、材料和领域具有很大的应用潜力。为了缓解污水处理和海水淡化等领域的关键技术问题，国际上普遍希望利用石墨烯的二维特性来构建高性能分离膜。

然而，这一目标的实现要求石墨烯的层间距保持在十分之一纳米的精度，这无疑是一个极具挑战性的课题。方海平长期致力于水研究，自2008年以来，他决定接受这一挑战。

科学家们很早就发现，石墨烯的蜂窝结构有一种特殊的电子行为，叫做π电子。π电能与钠离子等正离子产生强烈的相互作用，形成离子-π但是，由于水合离子的出现，这种作用在溶液中通常被忽视。

基于统计物理理论，方海平团队认识到离子。-π结合量子力学计算，开发了相应的计算软件，用于溶液中的重要性，建议使用离子精确控制石墨烯膜的层间距，实现离子筛选和海水淡化。

令人兴奋的是，实验成功地证实了这一理论推测，并在Nature上发表了相关论文。

基于离子控制石墨烯膜的基础研究，该团队成功开发了一种产品化的石墨烯复合海水淡化膜。根据安装测量结果，该膜的水通量约为美国陶氏海水淡化膜的15倍，是目前最先进的产品化海水淡化膜之一。此外，该团队还制造了一种便携式海水淡化器，具有“保温杯”大小，成果被选为上海绿色技术目录。

方海平教授团队的另一个重要成果是，除了为海水淡化提供理论支持外，他们还观察到了石墨烯表面的氯化钙二维晶体。

在石墨烯表面观察到一氯化钙二维晶体的方海平教授团队。 华东理工大学 供图

“这一发现颠覆了传统观念。因为我们普遍认为钙是二价的，它的化合物必须是二氯化钙，所以不可能有铁磁性和绝缘性。”方海平说。

这些一氯化钙二维晶体表现出非常独特的特性，不仅具有导电性，还具有室温铁磁性。更难得的是，它们具有压电和金属的特性——这意味着它们将在晶体管、磁性设备、导电电极的研发和氢气储存和催化剂的应用中发挥重要作用。

理论上推测了“水滴在水层上”的奇异现象，也是方海平获奖项目的重要成果。

我们通常看到的是，水滴落入水面后，会迅速扩散并融入水中。然而，方海平团队针对传统观点提出了反传统理论推测，即“常温排水总是完全浸泡在水中”。

研究小组制作了具有极化电荷的固体平面作为一般的表面模型，其中可以调节晶格的常数和电荷大小。这样，在表面晶格和电荷的诱导下，水就会形成有序的结构。在这种结构中，水不再扩散，而是形成水滴，呈现出“水滴在水层上”的情况。

常温下水滴在水层上

2009年发表研究论文后，推测很快得到了国内外多个研究小组的验证。研究人员在金属、矿物质、氧化物等10多种材料表面发现了类似的现象，表明这种现象在自然界中很常见。

据报道，这一进展有望为发展既不污染也不减阻的材料提出新的设计理念，如防污涂层、医用血管支架等领域的应用。

“多年来，我们的工作主要是利用理论物理方法，结合统计物理分析和分子动力学模拟，研究离子对水在表面、细通道和响应系统中行为的影响，获得了一些基本规律。相信还有更多的规律等着我们去发现和深入应用。”方海平说。

据报道，华东理工大学在2023年度上海市科技奖评选中获得16个奖项，其中5个一等奖，10个二等奖，1个青年科技杰出贡献奖。

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