上海科研团队揭秘“保温杯”淡化海水的奥秘
中新网上海10月23日电 (房树芬 许婧)在李安导演的电影《少年派的奇幻漂流》中,少年在茫茫大海中生存面临的最大挑战是获取淡水。试想一下,如果他拥有一个小型手持装置,能够快速从海水中提取淡水,他的生存概率将大大增加。
在23日出炉的2023年度上海市科学技术奖评选结果中,华东理工大学物理学院方海平教授团队的项目“固液微观界面动力学性质的理论研究及其应用”获上海市自然科学一等奖。该项目有一项落地成果——一款便携式海水淡化器,外型和尺寸类似保温杯的它,重量不到1公斤,可为落海者提供超过一周的淡水。
这个“保温杯”淡化海水的奥秘是什么呢?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它在能源、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于2008年开始接受这个挑战。
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。据了解,实验成功验证了这一理论预言,相关论文已在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,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。
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。
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调控,这样,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。
2009年研究论文发表后,该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。这个进展,有望为发展既不沾污又减阻的材料提出新的设计思路,例如在船舶表面防污涂层、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,研究水在表面、细通道内和响应体系中离子对其行为的影响,获得了一些普遍规律,相信也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。(完)
相关推荐
黑龙江饶河再现野生东北虎足迹
四川内江市市中区发生3.2级地震 震源深度10千米
海南将迎来春节前出岛车客高峰 各港口出岛秩序总体平稳
(新春走基层)“喜迎全运会 瑞蛇贺新春”新春庙会在广州举行
羊角把、牛角、十字扣,春运涨知识→小设计大用途
岁暮冰嬉 寒尽春生 这些“速度与激情”谁看了不想玩一把?
“家门口能挣钱,好日子有盼头”(新春走基层)
国家中医药局:九成以上三级妇幼保健院设置中医类临床科室
湖南零陵腊肉飘香年味浓 供销两旺助增收
春节临近 你的家乡举办哪些活动?一起来寻找年味儿→
新春走基层丨让每一盏车灯都安然明亮 他们是“魔鬼风口”的风雪护路人
中国将386.7万家固定污染源纳入排污许可管理
- 最近发表
-
- 随机阅读
-
- 好果施好肥 增产又增收
- 冷空气将入粤 气温或下降3℃至5℃
- 史上规模最大美国参展团!美企为何加速拥抱进博会?
- 山东校园内外满“书香” 以阅读增智慧、育人格
- 吃糖需懂“糖”
- 成都世园会票务政策出炉 将举办上千场特色活动
- “生态山东 冬日休闲”生态旅游体验季活动在烟台举办
- 美国加州州际公路发生连环车祸 已致2人死亡
- 浙江安吉:《乡村美丽庭院建设指南》国家标准发布
- 美国“致命空投”救不了240万加沙难民
- 联合国教科文组织新指定18个世界地质公园
- 中国科技馆“五一”假期将推出劳动节主题系列活动
- 创作更多优秀的儿童文学作品(坚持“两创” 铸就辉煌)
- “中国白鹤之乡”候鸟北归晚于常年
- 国家考古遗址公园五年累计“打卡”人次达1.46亿
- 哈密巧做水资源配置“加减法”
- 普京是否出席普里戈任的葬礼?克宫回应:不去
- (两会速递)云冈研究院院长:加大科技投入研究洞窟病害
- 直播兑奖套路深!伪劣假冒暗箱操作 奖品实物质量堪忧
- 2023年末中国男比女多3097万人
- 热门推荐
-
- 2023年辽宁公安严打电信网络新型违法犯罪 破获案件9800余起
- 寻觅千年国色 给予文化自信 绽放时代光彩
- “缅甸—德宏—重庆跨境公铁联运专列”从云南德宏发车
- “当代”俄罗斯油画展哈尔滨开展 百余幅作品尽展俄式风情
- 9月24日人民币对美元中间价报7.0510元 上调21个基点
- 1.77亿人次!铁路国庆黄金周运输圆满收官
- 今年前10个月江苏太仓港外贸货物吞吐量突破1亿吨
- 湖北江苏两省携手追溯档案里的“大桥记忆”
- 一个青年画家与一座抗战纪念馆
- 湖北五峰后河保护区发现新记录种双斑锦蛇
- 以科技创新推动产业创新
- 新疆新星市智能网联汽车试验场文体科创文旅综合体项目开工
- (神州写真)中国冰雪文旅迎奇景 吉林雾凇解锁“流量密码”
- 一批重大项目在上海静安区集中开工 总投资逾185亿元
- 水库下泄 河南郑州黄河滩区惠济段全线临时封闭
- 宝马客服回应传动轴异响:会开展技术检查
- 澳大利亚国际文化产业协会在悉尼举办文化经贸交流座谈会
- 日核污染水排海:如一意孤行,定覆水难收
- 2022大运河京津冀沿线精品休闲乡村推介论坛线上举办
- 中国汽车工业协会:前七月中国汽车出口同比快速增长