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。

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。

据悉，这也是华理作为牵头单位项目获得的5项一等奖、10项二等奖之一，总计15项大奖成果让他们成为2023年度上海市科学技术奖大会的获奖大户。

华理上海市科技进步奖一等奖项目“大型水泥生产过程智能控制与优化运行关键技术及工业应用”示范工厂鸟瞰。

【装机实测水通量达陶氏海水淡化膜15倍】

那么，“杯子淡化海水”的奥秘是什么？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，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。长期以来，专注于水研究的方海平教授从2008年开始接受这项挑战。

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，并结合量子力学计算，开发了相应的计算软件，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。

令人兴奋的是，他们的实验成功验证了这一理论预言。解放日报·上观新闻记者了解到，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。

【新发现罕见特性，反传统理论预言】

不止于为海水淡化提供理论支撑，方海平教授团队的另一个重要成果，在于他们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，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。

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，它们都会大有用武之地。

对“水滴在水层上”的奇异现象进行理论预言，也是方海平获奖项目的重要成果。人们日常所见的，是水滴在落入水面后，会很快扩散开并融入水体中。然而，针对“常温下水总是完全浸润于水”的传统观点，方海平团队提出了一个反传统的理论预言。

研究团队设计出带极化电荷的固体平面，作为一般表面的模型。其中，晶格常数和电荷大小都可以接受调控。这样一来，在表面上晶格和电荷的诱导下，水分子会形成有序结构。在这层结构上，水分子不再铺展开，而是形成水滴，呈现“水滴在水层上”的现象。研究论文于2009年首次发表后，这一预言很快获得国内外多个课题组的验证，研究人员在金属、矿物、氧化物等10多种材料表面都发现了类似现象，表明该现象在自然界中普遍存在。

据介绍，这项进展有望为发展既不易沾污又能减阻的材料提出新的设计思路，例如应用于船舶表面防污涂层、医用血管支架等领域。“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。

上海市自然科学奖一等奖项目华理“组装诱导纯有机室温磷光”团队在一起。

解放日报·上观新闻记者了解到，华理此次获得上海科技奖励的项目，有三分之二为自然科学奖类别，其中包括化学学院马骧教授领衔的“组装诱导纯有机室温磷光”项目等一等奖2项，还有材料学院侯宇教授领衔的“新型太阳能电池的关键材料设计及性能调控机制研究”项目等二等奖8项。从基础研究到应用研究，“企业行业出题、校企共答、市场阅卷”，多个获奖项目聚焦“大安全”“大健康”两大领域，聚焦新能源、新材料“两新”特色，培育新质生产力并为发展新质生产力带来高水平转化。

本文作者：徐瑞哲 房树芬

图片来源：受访高校