题目：碳基芳香环-离子-水：基于石墨烯膜的离子筛分、氯化二/三钠（Na₂Cl/ Na₃Cl）晶体和芳香环在离子溶液中的亲水性

报告人：方海平

中国科学院上海高等研究院

地点： 教十二―201

时间： 5月5日，周日，15:00-17:00

摘要

自然界中水绝大部分以盐溶液的形式存在。芳香环结构（以碳原子为主体的环状结构，例如苯环）广泛的存在于碳基材料和生物分子中，如石墨烯、碳纳米管、富勒烯、芳香环氨基酸、DNA和RNA等。芳香环结构与水分子之间仅存在较弱的van de Waals作用，因此被认为是疏水的。上世纪八十年代，人们发现富含π电子的芳香环与离子之间有强的非共价键作用（离子-π作用）。由于离子与水之间存在水合作用，这样的竞争导致水溶液中的离子-π作用被大幅度减弱，从而一直被忽视。在这个报告中，将介绍我们在过去十年中，通过考虑碳基表面上的多芳香环效应和溶液中的多离子效应，重新审视水合离子-π作用，理解离子溶液中碳基表面的一些特性、发现相关的新物理并展示相应应用。自2005年以来，实验表明碳纳米管具有很好的水渗透能力，预期其可以作为性能极佳的脱盐材料，但至2016年依然不能在实验上实现。我们认为离子与碳纳米管上的芳香环之间的离子-π作用导致离子被吸附在碳纳米管口，从而阻塞碳纳米管[1,2]。基于此机理提出的改进方案，其中一种得到最近实验验证。该工作被英国的ChemistryWorld 以“Nanotube desalination could be put back ontrack”为题专门报道。精确控制（氧化）石墨烯膜的层间距，达到一纳米大小和一埃的精度，是其在水处理、离子/分子分离以及电池/电容等应用的关键。但，对像纸一样的石墨烯纳米片，这样的精确操控，非常困难。利用水合离子与石墨烯上的多芳香环的吸附作用，我们提出并从实验上实现了用水合离子精确控制石墨烯膜的层间距，并展示了其出色的离子筛分性能[3]。我们日常吃的食盐，氯化钠晶体，由一份钠对应一份氯构成。在石墨和石墨烯表面，在常温常压下我们实现了氯化二钠（Na₂Cl, 钠氯元素比2:1）和氯化三钠（Na₃Cl，钠氯元素比3:1）等具有反常化学计量比的二维晶体，我们称之为“反晶”[4]。反晶具有独特的电子结构，因此具有与一般晶体完全不同的物理化学性质。对芳香环氨基酸和短肽，离子的存在提高了这些氨基酸和短肽中疏水芳环与水分子之间的亲合力。实验观测验证了这个预言，芳环氨基酸（色氨酸和苯丙氨酸）和短肽在二价过渡金属离子中的溶解度显著增加[5]。

[1] Liu et al., Phys. Rev.Lett. 115, 164502 (2015)

[2] Wang et. al., Phys. Rev.Lett. 121, 226102(2018)

[3] Chen et al., Nature 550,380 (2017)

[4] Shi et al., Nature Chem. 10,776(2018)

[5] Shi et al., Phys. Rev. Lett. 117,238102(2016)

个人简介

方海平，1985、1988山东大学物理系学士、硕士。1994中国科学院理论物理研究所博士。1994-2002复旦大学物理系博士后、讲师、副教授，其中1997―1998香港科技大学访问学者，2000-2001美国John Hopkins大学访问副教授。2002年至今，任中国科学院上海应用物理研究所研究员（2018年转上海高等研究院），中国科学院研究生院教授，博士生导师。目前为水科学和技术研究室主任。

长期从事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；近年来侧重界面水、纳米生物学和理论物理学的交叉研究，特别是纳米尺度空间中水和盐水的特性、其生物效应和其启发的物理机理研究。在国内外学术期刊发表论文150多篇，并多次在国内外国际会议上作大会、主题和邀请报告。研究工作已发表在《自然》(Nature)、《自然•纳米技术》(Nature Nanotechnology) 、《自然•化学》(Nature Chemistry)、《美国科学院院刊》(Proc. Natl.Acad. Sci. USA)、《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)、《美国化学会志》(J. Am. Chem. Soc.)、能源与环境科学（Energy Environ.Sci.）等国际权威杂志上。《自然•纳米技术》、《自然•材料》、《自然•化学》(NatureChemistry) 、《新科学家》（New Scientist）、《化学世界》（Chemical World）、《自然•中国》等国际著名期刊和网站报道和介绍了这些工作。获中国科学院“百人计划”（ 终期考核评估获“优秀”）、国家杰出青年基金，上海市学科带头人、领军人才。

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