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
-
- 卷对卷印制太阳能电池能效创纪录
- 加拿大大多伦多地区印度教寺庙发生冲突 加印关系添龃龉
- 喝碗腊八粥,开启春节倒计时!
- 中央气象台继续发布强对流天气蓝色预警
- 山东:金融活水精准滴灌
- 非裔选民:通胀带来的冲击很大,美国政府是罪魁祸首
- 国际人士驳斥“产能过剩论” 中国新能源产品为全球绿色转型贡献巨大
- 拜登发表退选后首次演讲 解释其退出竞选原因
- 致敬!
- 越野实力全面彰显 长城汽车携五大品牌亮相2024北京车展
- 1—8月各地发行用于项目建设专项债券29455亿元
- 国家图书馆获捐《红旗颂》手稿等540余种重要艺术文献
- 住房城乡建设部:进一步加强建设工程企业资质审批管理工作
- 中菲政府科技合作联委会第16次会议在菲律宾成功举行
- 宁夏西吉:“薯”光无限 奏响乡村振兴大合唱
- 蔡磊的2024:未到绝境处,彼岸花不开
- 聚焦清洁技术和生物多样性 《自然》系列期刊2025年将新增两刊
- 减少“为爱奔波” 上海开始实施婚姻登记“跨省通办”
- 为报复约旦美军基地遭袭 美国对叙利亚和伊拉克展开空袭
- (经济观察)中国工程机械企业海外本土化加速
- 热门推荐
-
- 吉林省出台规范农村集体经济合同管理指导意见
- “从巴黎到武汉”世界大师原作版画展武汉展出
- 六月天宇剧场上新:来自星星的“比赛”闪亮登场
- 加沙地带死亡人数超1.5万 停火谈判陷僵局
- 广西茶叶“茗片”飘香西子湖畔 近百种名茶引客商追逐
- 中国央行“量缩价平”开展MLF操作
- 受巴以新一轮冲突影响 多家航空公司取消飞往以色列航班
- 引入金融活水 17家金融机构1460亿元支持辽宁省振兴发展
- 产业园区集聚新动能
- 传统市场继续回暖添活力 “外贸大市”浙江宁波勇拓海外市场
- 普京抵达蒙古国正式访问 克宫:计划签署多份双边文件
- 中国驻韩国大使邢海明访问韩国机器人编程企业LUXROBO(乐思罗博)
- 满洲里公路口岸今年进出境货运车辆突破10万辆次
- 安徽发布暴雨蓝色预警 24小时内局地降水量超100毫米
- 拜登:美英成功打击 胡塞武装:对方将为此付出代价
- 青甘两省合作交流 “大环线”文旅产业持续跃升
- 中国年轻人热衷追着美食去“打卡”
- 武汉加快光化学产业发展 促传统产业转型升级
- 胡宏哲:探索短视频和图书阅读推广结合点,培养未成年人阅读习惯
- 央广财评|中小企业五年增加51%、“小巨人”A股占比27% 折射“组合拳”强信心新动能!