勇当基础研究领域“超级战士”，华理的他们开辟全新科研疆土

2021-10-01 18:31:03

内容摘要：

速读文章内容

◎图：左四为方海平教授

“基础科学研究既要讲究解放思想，又要与时俱进，才能在理论的深度与应用的效度中及时寻找出最优解。”怀着这样的信念，物理学院方海平教授数十年来致力于从宏观到微纳米尺度的理论物理和其他领域的交叉学科研究，聚焦统计物理、理论物理、纳米生物学等研究领域深耕细作，在微纳米尺度受限空间中水和离子的特性及其诱导的生物分子特性和新材料开发等方面，取得了一系列创新性突破，为新颖光电磁纳米材料的设计和实现以及助力海水淡化、污水处理、生物医疗等技术的绿色产业化发展提供关键支撑，相关成果发表在了Nature、Nat. Nanotechnol.、Nat. Chem.、PRL等国际顶级刊物。

捕获“异类”

颠覆传统金属离子认知

钙离子是几价的？高中生会回答：+2价。钙离子作为一种碱土金属原子，其自然条件下的唯一已知价态是+2，相对应的所有种类钙离子晶体都没有磁性且呈现绝缘性。那钙离子是不是只有+2价？钙离子晶体一定不能具备磁性？这个看似再普通不过的常识问题，却随着方海平研究团队的新发现，产生了完全不一样的认知概念。

在最近的研究中，方海平研究团队联合西安交通大学、上海大学、中国科学院上海应用物理研究所、浙江农林大学、华东师范大学和厦门大学等，利用冷冻透射电子显微镜，在还原氧化石墨烯（rGO）膜上直接观察到了自然环境下生成的二维CaCl晶体，其中钙离子的价态为+1。更为奇妙的是，正是因为钙离子的+1价，这些二维CaCl晶体具有室温铁磁性、金属性且具备显著的储氢和释氢能力。这一突破性的研究成果已经发表在顶尖期刊《国家科学评论》上。

方海平教授表示，“此类二维CaCl晶体表现出的金属性和铁磁性，打破了我们过去对金属性和磁性材料的认知局限；同时，它也显示出明显的类压电性质”。因此，二维CaCl晶体是一种既具有金属特性、铁磁性又具有压电特性的新型物质材料，可有望制备具有原子尺度和纳米尺度的电子器件，从而产生广泛应用。

值得一提的是，进一步的理论研究还表明，这种异常晶体的形成是由于石墨烯表面的芳香环与钙离子之间的强阳离子-π相互作用所致。由于其他诸如钠、钾、镁、锌等金属离子与芳香环也存在强的阳离子-π相互作用，这也就意味着，其他金属阳离子可能也会形成类似的异常价态行为。

“考虑到金属阳离子和碳在地球上的广泛分布，特别是碳对我们人体的重要性，这种先前未被认识的性质的纳米级‘特殊’化合结构可能在自然界中广泛存在。”方海平认为，这些发现不仅在新颖的阳离子价态和奇异电磁学性质的二维晶体研究上取得了突破性进展，还在材料、生物、化学和物理等方面都具有开创性的应用潜力，比如理解生物磁性、开发非铁性质的磁控药物靶向治疗新型模式等。

巧构“梁柱”

实现超高精度层间距控制

一个小小的手持装置，连续按压数十次，就能够快速从海水中提取出1L的淡水，让意外掉入海里的人5天内有足够的淡水从而得以存活，这个神奇的东西离不开方海平研究团队研发的一种特殊的氧化石墨烯膜。

众所周知，石墨烯是由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，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价值。“石墨烯作为一种新型纳米材料，国际上希望利用其二维材料构筑高性能分离膜，来破解污水处理和海水淡化等领域的核心技术难题。”方海平说。而首先需要攻克的难关就是如何确保实现氧化石墨烯膜十分之一纳米精度的层间距控制要求，使水能够透过，而被水分子包含的盐离子被挡在外面。

对如同纸张一般的氧化石墨烯膜而言，要实现如此超高精度的层间距控制，并避免其在水溶液中发生溶胀导致分离性能严重衰减，这个挑战成为众多科研人员攻坚探索的重要难点。方海平研究团队通过理论分析认为，离子与石墨烯片层内芳香环结构之间存在相当强的水合离子-π相互作用，会像“梁柱”一样支撑石墨烯片层，从而精确控制石墨烯膜的层间距。他们不仅仅用上海光源的X射线小角散射（BL16B1）、精细吸收谱（BL14W1）以及紫外等表征手段，来证明这样的相互作用的存在，还从实验上实现了让水透过而离子被阻挡的效果。

“层间距控制达到十分之一纳米精度的氧化石墨烯膜，是污水处理、离子分子分离以及电池、电容等应用的关键，具有良好的工业化应用前景。”方海平表示。比如，特定的水合离子就相当于隔离、支撑石墨烯片层的特定“梁柱”一样，可以精确控制石墨烯膜的层间距，从而还可以分离各自不同的盐。相关研究成果发表在Nature（《自然》）等期刊上，并申请获得了相应的发明专利。

内外兼修

激发团队强大动力

“郝老师传授学术的本领，教我做事的方法、做人的道理，真正堪称我的人生导师。”谈到自己的研究工作时，方海平总是会想起恩师郝柏林院士给予的全方面教导，“从研究目标到学术态度，从科学研究到论文写作，从报告交流到做人做事，郝老师对我的教导都至关重要”。

“研究生不是学生，而是初级研究者，是战士。”正是受到了被誉为“科学战士”的郝柏林院士的影响，方海平会在所带学生刚入学时就引导他们树立起正确的研究目标与自我认知，“每一个学生都有潜力和特点，关键在于有效的激励和正确的引导，既要帮助学生认识到专业研究的前景，又要注重在日常的学习科研中做好示范、帮扶”。