华东科技杂志380期发表时间

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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）广泛地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。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）。对于钠离子，对应的气态下阳离子-作用能为 ~23 kcal/mol，大于氢键（2~10kcal/mol），比室温下热扰动特征能量kBT（~）大~30倍。这样的有限作用能，导致阳离子可以被吸附也可以脱附，这就提供了无限可能的变化，报告人认为这对生命非常重要。由于离子与水之间存在水合作用，因而水分子对离子存在很强的屏蔽效应，这使得水溶液中的离子-π作用被大幅度减弱，例如水合钠离子-作用能仅仅为 6 kcal/mol，与氢键相当。考虑到水分子间的氢键寿命大约为 ps，所以阳离子吸附在芳香环上的驻留时间也很有限，阳离子容易脱附。这导致溶液中水合钠离子- 作用的效应长期被低估，甚至常常被忽略。我们认为，如果考虑到溶液中具有大量的阳离子（如钠离子），当一个芳香环上吸附的钠离子脱附后，另外的钠离子会过来吸附在这个芳香环上，即是（一个离子）吸附-脱附-（另一个离子）吸附-脱附-…这样的动态过程。显然，不能仅仅从一个阳离子，而必须在整体上从热力学统计物理的角度来分析和理解水合钠离子-作用的意义。另外，这样的吸附脱附动态平衡也会影响其他的动态平衡。在这个报告中，将介绍我们在过去十多年来基于热力学统计物理的角度重新审视水合离子-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的应用。包括<1>理解为什么简单的碳纳米管不能用于盐水分离[1]，并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[2]。<2>在还原氧化石墨烯（rGO）膜上发现二维Na2Cl和CaCl晶体[3，4]。其中二维CaCl晶体中钙离子的价态为+1，对应的，它具有室温铁磁性、金属性等奇异特性[4]。进一步地，对于富含芳香环的生物分子，例如芳香性多肽AYFFF,其组装结构在钙、镁等二价离子溶液中表现为超强的顺磁性，强度达到目前已知最普遍认可的顺磁性蛋白ferritin的十倍。多肽上面吸附的钙、镁离子一价态与二价态共存。[1] Liu et al., Phys. Rev. Lett. 115, 164502 (2015)[2] Chen et al., Nature 550, 380 (2017)[3] Shi et al., Nature Chem. 10,776(2018)[4] Zhang et. al., National Science Review 2021, 8, nwaa274个人简介：方海平，1965年生，山东大学学士（1985）、硕士（1988），中国科学院理论物理研究所博士（1994）；1994-1996复旦大学博士后。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；2001-2018中国科学院上海应用物理研究所研究员，水科学与技术研究室主任(2012年开始)；2018-2020为中国科学院上海高等研究院水科学与技术研究室主任，研究员；目前为华东理工大学理学院教授，博士生导师。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。近年来主要侧重于界面水、纳米生物学和理论物理学的交叉研究，特别是受限尺度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。这些研究将为海水淡化、污水处理、各种离子分离等技术，相关的药物的和抗菌表面、具有新颖光电磁性质的材料等的设计和实现等提供帮助。系列工作以通信作者发表在Nature（2017）、Nat. Chem.（2018）、Nat. Nanotechnol（2007）、Proc. Natl. Acad. Sci. USA（2007，2009）、Phys. Rev. Lett.（8篇）、Energy Environ. Sci.（2011）、JACS（2005，2009，2012）等国际杂志上。被Physics World、 New Scientist、Chemical World、Nat. Nanotechnol.、Nat. Mater.、Nature Reviews Chemistry、Nature Chemistry等国际期刊报道。获国家杰出青年基金，上海市学科带头人，上海市领军人才称号。

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