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距大会开始还有
NSR江雷院士专访:源于自然的仿生超浸润界面材料
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发表时间:2018-01-13 22:57来源:英文原文发表于《国家科学评论》

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     200多年前,超浸润现象就已经引起了科学家的关注。1805年,英国科学家托马斯·杨提出可以用接触角来衡量材料表面的液体浸润性,这一标准沿用至今。当液滴与材料表面之间的接触角接近0度(超亲)或者大于150度(超疏),这种材料就被称为超浸润材料。

  人类对于超浸润材料的认识由来已久,但直到大概二十年前,科学家开始对自然界中超浸润材料的微观结构进行观察与模仿,超浸润材料相关的研究才得以蓬勃发展,在基础到应用的各个领域中取得了一系列重大突破。超疏水的荷叶、超亲水的蜘蛛丝、水下超疏油的鱼鳞——每一种自然超浸润材料微观结构的揭示,都为材料科学带来启示。如今,在传感、油水分离、能量转换等领域中,经过重新设计组合的超浸润材料已经获得了广泛的应用。

  江雷院士(中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国工程院外籍院士)是仿生超浸润材料领域的先驱者之一,他提出的“二元协同界面效应”(同一界面在微观尺度上存在物理化学性质完全相反而又协同互补的两种组分),为超浸润材料的设计提供了框架。在此次NSR访谈中,江雷院士介绍了过去二十年中这一领域在基础和应用方面所取得的突破,同时交流了他对科学研究的诸多感受。


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江雷院士

超浸润材料与二元协同界面效应

NSR:您是如何进入仿生超浸润材料这一研究领域的?

江:1996年,我在德国汉堡参加一个STM(Scanning Tunneling Microscope,扫描隧道显微镜)相关的国际会议。在和几位外国科学家一起喝啤酒的时候,有人提到,如果能够把荷叶超疏水的原理解析出来,那应该是挺有意思的一件事。而我还在日本的时候,就已经在考虑要利用二元协同效应来做一些事情。所以在回国之后,我就开始了这方面的工作。

NSR:您是如何提出二元协同界面效应的?这一概念的提出是在看到荷叶微观结构之前还是之后?

江:先提出的概念。那是在1998年准备日本化学学会春季会议的时候,我当时在做光诱导表面相变相关的工作。在观察微观结构时,我们看到在纳米尺度下,两个亚稳态——只有一点差距的一个低能态和一个高能态,在同一个表面上存在。我当时就考虑,能不能把这个现象推广出去呢?因为世界本身就是对立统一的,二元协同的体系也符合老子的阴阳协同的想法。于是,我们就从这一想法出发进行了超疏水材料的设计,我们设计了要使用怎样的有孔材料——这个孔是亲水的,那个孔是疏水的;或者这个孔是外壁疏水、内壁亲水的,那个孔是外壁亲水、内壁疏水的——来实现宏观上的超疏水性质。在1998、1999年,我们提出了二元协同概念,并完成了这些设计和写作工作,而文章是在2000年发表的[L. Jiang et al. Pure Appl Chem 2000; 72: 73-81]。

NSR:您刚刚回国的时候,国内在超浸润材料领域的研究情况如何?您的工作是否得到了认同和支持?

江:当时国内还是一片空白。我的工作计划得到了科技部和基金委的支持,但还是有不少科学家不认同我的研究思路,他们觉得已有的超疏水材料就已经不错,没有必要再去用二元协同效应来做纳米水平的新材料。

NSR:您对许多种自然界中的超浸润材料进行了研究,它们的超浸润性质和原理都是一样的吗?

江:我研究的每一种生物材料,都在具有基本超浸润性质的同时,又具备另外的性质,往往是多功能的。比如说,蚊子的复眼是超疏水的,同时它又减反射;杨树叶子的背面也是超疏水的,但它却是全反射的;蜘蛛丝是超亲水的,它可以用来收集雾滴;鱼鳞在水下是超疏油的,可以防止生物黏附,同时减阻。这些不同的性质都可以在材料的结构和化学组成中找到对应,而很多响应性的材料也都可以说是“智能”的。

NSR:在超浸润材料领域,您的研究带来了哪些新的理论知识?

江:第一,微纳米结构和低表面能是创造超疏水的关键。第二,微纳米结构的排列、组合和取向可以控制液体的浸润状态和运动趋势。第三,表面微纳米结构可以增强材料的表面亲水或疏水性能,而微观结构对于亲水性和疏水性的增强程度是等价的。第四,亲水和疏水的阈值(Intrinsic Wetting Thresholds,IWT。如果材料的本征接触角大于此阈值,此种材料可以被改造为超疏水材料;而如果材料本征接触角小于此阈值,则只能被改造为超亲水材料)是由微纳米结构的表面梯度来确定的,由此,我们可以找到所有液体的浸润性阈值。杨氏方程认为,液体的亲疏水阈值都是90°。但我们在实验中发现,本征接触角介于65°到90°之间的材料是可以被改造成超疏水材料的。这说明杨氏方程在这一点上是不准确的。如果说前面三条是我们向教科书中填加了新的知识,那么这第四条还改写了教科书。

NSR:超浸润材料的理论体系是否已经完备?

江:没有,我们还需要从分子水平上去理解超浸润的原理,甚至于最终对杨氏方程做出补充。要做到这一点,我们可以使用拉曼光谱、二阶或三阶非线性光学的方法来检测材料表面带电金属的亲水、疏水相互作用是如何发生的,还可以用原子力显微镜做一些力的测量,看液体和表面之间的相互作用力到底是引力还是斥力。

超浸润材料的广阔市场

NSR:超浸润材料有哪些实际应用?

江:我们的每一项研究背后都有一个广阔的市场。超疏水材料制成的自清洁领带,已经卖了几百万条;超亲水的自清洁防雾玻璃,已经卖出了几百万平米;油水分离设备也已经卖出了几百台。从超浸润材料出发,我们还发展了绿色印刷技术。此外,我们从电鳗利用细胞膜上钾离子通道来发电的自然现象中获得启示,发展了利用超浸润纳米孔道来发电的能量转移系统。对中国传统毛笔的保水性能进行研究之后,我们还设计制造了可以刷出优质薄膜材料的器材,它可以用在实验室里,为材料科学的研究提供帮助。

NSR:从对自然超浸润材料的观察,到发展出全新的实用材料,是一个怎样的过程?

江:这个过程其实就是毛泽东思想所说的三个过程:有所发现、有所发明、有所创造。发现是说,我们去研究生物界中的各种现象,研究微观结构和功能特性之间的关系,发现原理。发现原理之后,第二个过程就是发明,用物理化学的方法在实验室中把它重现出来。在此基础上,我们再进行进一步改进,让材料在具有自然界中性质的同时,也具有其他性质,这就是创造。之后又可以轮回回来,再在自然界中寻找新的材料。超浸润材料体系的创建就是这样一个过程。

我可以给你举一个例子。仙人掌为什么能在沙漠里生存?有了这个问题,我们就去找,这件事情的缘由是在哪儿,原来是因为仙人掌的针可以在空气中收集雾滴,然后把这些水滴运送到它的茎部。明白了这个,我们马上就可以去模仿仙人掌针叶的微观结构,来做出相应的人工结构,这就是发明。从这里出发,它能在空气中收集水滴,那我们能不能发展出新的结构,在水中收集油滴呢?如果可以,我们就能够分离生活废水中的微小油滴。还有那些已经开发了很多年的油田中打出来的液体,其中绝大部分都是水,只含有很少的油,我们可以从这种混合液体中把石油提取出来。

于是,我们用仿仙人掌刺的结构做成人造的针,液体流过来就可以把其中的油收集起来。这就是创造,已经超越了原有的自然材料。这个创造具有非常大的市场前景,因为它可以从洗衣机废水中把表面活性剂分离出来。每一天都有大量的表面活性剂被人类排放在自然的水体中去,它们被微生物吸收,再经过食物链的传递积累,可以对整个生物链中的生物,包括人类的健康产生非常大的影响。

NSR:要将科研成果转化为产品,科学家要去申请专利,也可能需要直接参与公司运营等工作。您在这方面有哪些经验?

江:专利当然是必要的。但是现在的很多专利都是昙花一现,能够被转化的专利比例极小。这是因为在很多大学,学生可以用专利代替发表文章,来达到研究生毕业的标准。

我不建议科学家自己去运营公司,因为这是一个非常艰苦的过程。做科研的时候,有一个发现就可以发一篇文章,但是要把它转化为应用,只要其中有一点走不通,那全部的工作就没办法做下去了,这要比做科学研究、发表文章难太多了。一个人又要搞基础研究,又要搞公司,几乎是不可能的。

但是如果是一次性的卖掉自己的技术,是可以的。我第一单的技术转让费是6000万。当时的整个洽谈过程只用了30分钟。我面前是一杯凉水、一杯热水,一块玻璃、一块布。凉水倒在布上——水立刻全都流下去,而布还是干爽的。把玻璃放在热水上方,其中是普通玻璃的一半马上起雾,而另一半的超亲水防雾玻璃则完全透明。就这么简单。

当时,对方想要给我们三个研究者一些个人报酬,我说不要,我要1200万科研经费。利用这些经费,我们买了场发射扫描电镜、拉曼显微镜、拉曼光谱、红外光谱、紫外光谱,等等。这些仪器大大提高了我研究组的工作效率。其他研究组的学生要做扫描电镜,需要为化学所的公用仪器排队14天。但是我的学生就只需要等1个小时,可以在一天之内做完全部实验。

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国家大剧院外墙防污涂层

纳米材料的学科发展

NSR:在您回国的20年中,中国科学家在纳米材料相关的领域做出了哪些重要成果?

江:我们整体的发展很快。其中的几个重要成果包括唐本忠的聚集诱导发光材料、李玉良的石墨炔、张涛和包信和的单原子催化、赵东元和李亚栋的纳米结构研究等。从发表文章数量上看,我们已经超过了美国,但是也必须注意到,我们做出的原创性工作还相当有限。

NSR:对于年轻人来讲,现在是一个投身纳米材料研究领域的好时机吗?

江:绝对是好机会,但同时也是一个坏机会。现在这个领域很热,研究经费很充裕,也有很多先进而昂贵的仪器。所以,很多人就会陷到这些仪器里面去。而把越多人力物力放到仪器里,就越难真正做事情,尤其是越难做出真正创新性的重要工作。这种发展是一把双刃剑,真正的科学不能只靠钱,要依靠头脑和思维。

NSR:您认为什么才是真正的科学?年轻人又该如何找到真正值得研究的课题?

江:我认为真正的科学只有两种,一是创造新知识,二是创造新应用。而关于研究方向的选择,我认为最重要的是要向自然学习。好的选题往往不是研究者自己选的,而是自然已经帮我们选好的。比如说,仙人掌能在沙漠里存活是客观事实,我们去研究它,只要不轻易放弃,就不太可能失败。我们要去发现问题,而不是去制造问题,不是去跟着别人的脚步做研究。

选题的另一个关键是要量力而行。有一些问题,比如破译大脑的信息传输原理,是很难凭借少数科学家在短期内取得成果的。这时候就要懂得如何把大的问题切割成可以解决的小问题,比如说你可以从神经的传导机理、神经细胞与外界交流的机制、神经细胞膜上某个离子通道在神经信息传输中的作用等小问题开始,这些小的问题是可以解决的,也是有人正在做的。

科研合作与人才培养

NSR:您和多个学科的研究者都有合作关系。在和不同背景的研究者交流时,存在困难吗?

江:没有。对我来说,没有学科的阻碍。我本科是学物理的,后来转向物理化学,学习了很多化学的知识,我还自学过生物学。我是一个兴趣十分广泛的人。

NSR:您曾经在日本很多年,接受科研训练并从事科学研究。日本的科研环境给了您哪些影响?

江:我的日本导师藤岛昭和我的中国导师李铁津是性格截然相反的两个人。李老师是一个文质彬彬、非常正直、几乎从来不开玩笑的人,他的研究兴趣很广泛,什么都可以做。但是藤岛老师则完全相反,他看中一个方向,就从基础做到应用,一辈子都在做同一件事。在这个方面我和藤岛老师很像,我也始终在做同一个方向。而这种专注一个方向的钻研精神,也是日本近现代材料科学取得巨大成就的原因之一。

NSR:那么您又是怎样培养您自己的学生的呢?您如何培养他们的创新精神?

江:我的很多学生都很优秀,其中不少人已经是杰青、优青或者青千。我在培养他们的时候很注重和他们的情感交流,只有先拉近彼此的距离,才能在科研上对他们进行有效的指导。孙子曰,士不亲不罚。就是这个道理。而在科研上,我一方面给他们足够的自由,让他们自己寻找解决问题的方法,一方面又会时刻关注他们的研究进展,对他们严格要求。只有这样,才能让他们快速学会做科研的方法和思路。



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