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關于5月5日(周日)方海平學術報告的通知(Physics Department Colloquium)

編輯:phyjd 時間:2019年04月28日 訪問次數:340

題目:碳基芳香環-離子-水:基于石墨烯膜的離子篩分、氯化二/三鈉(Na2Cl/ Na3Cl)晶體和芳香環在離子溶液中的親水性

報告人:方海平

中國科學院上海高等研究院

地點: 教十二—201

時間: 55日,周日,15:00-17:00

摘要

自然界中水絕大部分以鹽溶液的形式存在。芳香環結構(以碳原子為主體的環狀結構,例如苯環)廣泛的存在于碳基材料和生物分子中,如石墨烯、碳納米管、富勒烯、芳香環氨基酸、DNARNA等。芳香環結構與水分子之間僅存在較弱的van de Waals作用,因此被認為是疏水的。上世紀八十年代,人們發現富含π電子的芳香環與離子之間有強的非共價鍵作用(離子作用)。由于離子與水之間存在水合作用,這樣的競爭導致水溶液中的離子作用被大幅度減弱,從而一直被忽視。在這個報告中,將介紹我們在過去十年中,通過考慮碳基表面上的多芳香環效應和溶液中的多離子效應,重新審視水合離子作用,理解離子溶液中碳基表面的一些特性、發現相關的新物理并展示相應應用。2005年以來,實驗表明碳納米管具有很好的水滲透能力,預期其可以作為性能極佳的脫鹽材料,但至2016年依然不能在實驗上實現。我們認為離子與碳納米管上的芳香環之間的離子作用導致離子被吸附在碳納米管口,從而阻塞碳納米管[1,2]。基于此機理提出的改進方案,其中一種得到最近實驗驗證。該工作被英國的Chemistry World “Nanotube desalination could be put back on track”為題專門報道。精確控制(氧化)石墨烯膜的層間距,達到一納米大小和一埃的精度,是其在水處理、離子/分子分離以及電池/電容等應用的關鍵。但,對像紙一樣的石墨烯納米片,這樣的精確操控,非常困難。利用水合離子與石墨烯上的多芳香環的吸附作用,我們提出并從實驗上實現了用水合離子精確控制石墨烯膜的層間距,并展示了其出色的離子篩分性能[3]我們日常吃的食鹽,氯化鈉晶體,由一份鈉對應一份氯構成。在石墨和石墨烯表面,在常溫常壓下我們實現了氯化二鈉(Na2Cl, 鈉氯元素比2:1)和氯化三鈉(Na3Cl,鈉氯元素比3:1等具有反常化學計量比的二維晶體,我們稱之為“反晶”[4]。反晶具有獨特的電子結構,因此具有與一般晶體完全不同的物理化學性質。對芳香環氨基酸和短肽,離子的存在提高了這些氨基酸和短肽中疏水芳環與水分子之間的親合力。實驗觀測驗證了這個預言,芳環氨基酸(色氨酸和苯丙氨酸)和短肽在二價過渡金屬離子中的溶解度顯著增加[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)

個人簡介

方海平,19851988山東大學物理系學士、碩士。1994中國科學院理論物理研究所博士。1994-2002復旦大學物理系博士后、講師、副教授,其中19971998香港科技大學訪問學者,2000-2001美國John Hopkins大學訪問副教授。2002年至今,任中國科學院上海應用物理研究所研究員(2018年轉上海高等研究院),中國科學院研究生院教授,博士生導師。目前為水科學和技術研究室主任。

長期從事從宏觀到微納米尺度的理論物理和其他領域的交叉學科研究;近年來側重界面水、納米生物學和理論物理學的交叉研究,特別是納米尺度空間中水和鹽水的特性、其生物效應和其啟發的物理機理研究。在國內外學術期刊發表論文150多篇,并多次在國內外國際會議上作大會、主題和邀請報告。研究工作已發表在《自然》(Nature )、《自然•納米技術》(Nature Nanotechnology) 、《自然•化學》(Nature Chemistry)、《美國科學院院刊》(Proc. Natl. Acad. Sci. USA)、《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett.)、《美國化學會志》(J. Am. Chem. Soc.)、能源與環境科學(Energy Environ. Sci.)等國際權威雜志上。《自然•納米技術》、《自然•材料》、《自然•化學》(Nature Chemistry) 、《新科學家》(New Scientist)、《化學世界》(Chemical World)、《自然•中國》等國際著名期刊和網站報道和介紹了這些工作。獲中國科學院“百人計劃”( 終期考核評估獲“優秀”) 、國家杰出青年基金,上海市學科帶頭人、領軍人才。

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