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  200多年前，超浸潤(rùn)現(xiàn)象就已經(jīng)引起了科學(xué)家的關(guān)注。1805年，英國(guó)科學(xué)家托馬斯·楊提出可以用接觸角來(lái)衡量材料表面的液體浸潤(rùn)性，這一標(biāo)準(zhǔn)沿用至今。當(dāng)液滴與材料表面之間的接觸角接近0度（超親）或者大于150度（超疏），這種材料就被稱為超浸潤(rùn)材料。

  人類對(duì)于超浸潤(rùn)材料的認(rèn)識(shí)由來(lái)已久，但直到大概二十年前，科學(xué)家開(kāi)始對(duì)自然界中超浸潤(rùn)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與模仿，超浸潤(rùn)材料相關(guān)的研究才得以蓬勃發(fā)展，在基礎(chǔ)到應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域中取得了一系列重大突破。超疏水的荷葉、超親水的蜘蛛絲、水下超疏油的魚(yú)鱗——每一種自然超浸潤(rùn)材料微觀結(jié)構(gòu)的揭示，都為材料科學(xué)帶來(lái)啟示。如今，在傳感、油水分離、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域中，經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)組合的超浸潤(rùn)材料已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

  江雷院士（中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士、美國(guó)工程院外籍院士）是仿生超浸潤(rùn)材料領(lǐng)域的先驅(qū)者之一，他提出的“二元協(xié)同界面效應(yīng)”（同一界面在微觀尺度上存在物理化學(xué)性質(zhì)完全相反而又協(xié)同互補(bǔ)的兩種組分），為超浸潤(rùn)材料的設(shè)計(jì)提供了框架。在此次NSR訪談中，江雷院士介紹了過(guò)去二十年中這一領(lǐng)域在基礎(chǔ)和應(yīng)用方面所取得的突破，同時(shí)交流了他對(duì)科學(xué)研究的諸多感受。

江雷

撰文：趙維杰。王玲、聞利平、高洋為本次訪談提供了幫助。

超浸潤(rùn)材料與二元協(xié)同界面效應(yīng)

NSR：您是如何進(jìn)入仿生超浸潤(rùn)材料這一研究領(lǐng)域的？

江：1996年，我在德國(guó)漢堡參加一個(gè)STM（Scanning Tunneling Microscope，掃描隧道顯微鏡）相關(guān)的國(guó)際會(huì)議。在和幾位外國(guó)科學(xué)家一起喝啤酒的時(shí)候，有人提到，如果能夠把荷葉超疏水的原理解析出來(lái)，那應(yīng)該是挺有意思的一件事。而我還在日本的時(shí)候，就已經(jīng)在考慮要利用二元協(xié)同效應(yīng)來(lái)做一些事情。所以在回國(guó)之后，我就開(kāi)始了這方面的工作。

NSR：您是如何提出二元協(xié)同界面效應(yīng)的？這一概念的提出是在看到荷葉微觀結(jié)構(gòu)之前還是之后？

江：先提出的概念。那是在1998年準(zhǔn)備日本化學(xué)學(xué)會(huì)春季會(huì)議的時(shí)候，我當(dāng)時(shí)在做光誘導(dǎo)表面相變相關(guān)的工作。在觀察微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，我們看到在納米尺度下，兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)——只有一點(diǎn)差距的一個(gè)低能態(tài)和一個(gè)高能態(tài)，在同一個(gè)表面上存在。我當(dāng)時(shí)就考慮，能不能把這個(gè)現(xiàn)象推廣出去呢？因?yàn)槭澜绫旧砭褪菍?duì)立統(tǒng)一的，二元協(xié)同的體系也符合老子的陰陽(yáng)協(xié)同的想法。于是，我們就從這一想法出發(fā)進(jìn)行了超疏水材料的設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了要使用怎樣的有孔材料——這個(gè)孔是親水的，那個(gè)孔是疏水的；或者這個(gè)孔是外壁疏水、內(nèi)壁親水的，那個(gè)孔是外壁親水、內(nèi)壁疏水的——來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀上的超疏水性質(zhì)。在1998、1999年，我們提出了二元協(xié)同概念，并完成了這些設(shè)計(jì)和寫(xiě)作工作，而文章是在2000年發(fā)表的[L. Jiang et al. Pure Appl Chem 2000; 72: 73-81]。

NSR：您剛剛回國(guó)的時(shí)候，國(guó)內(nèi)在超浸潤(rùn)材料領(lǐng)域的研究情況如何？您的工作是否得到了認(rèn)同和支持？

江：當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)還是一片空白。我的工作計(jì)劃得到了科技部和基金委的支持，但還是有不少科學(xué)家不認(rèn)同我的研究思路，他們覺(jué)得已有的超疏水材料就已經(jīng)不錯(cuò)，沒(méi)有必要再去用二元協(xié)同效應(yīng)來(lái)做納米水平的新材料。

NSR：您對(duì)許多種自然界中的超浸潤(rùn)材料進(jìn)行了研究，它們的超浸潤(rùn)性質(zhì)和原理都是一樣的嗎？

江：我研究的每一種生物材料，都在具有基本超浸潤(rùn)性質(zhì)的同時(shí)，又具備另外的性質(zhì)，往往是多功能的。比如說(shuō)，蚊子的復(fù)眼是超疏水的，同時(shí)它又減反射；楊樹(shù)葉子的背面也是超疏水的，但它卻是全反射的；蜘蛛絲是超親水的，它可以用來(lái)收集霧滴；魚(yú)鱗在水下是超疏油的，可以防止生物黏附，同時(shí)減阻。這些不同的性質(zhì)都可以在材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成中找到對(duì)應(yīng)，而很多響應(yīng)性的材料也都可以說(shuō)是“智能”的。

NSR：在超浸潤(rùn)材料領(lǐng)域，您的研究帶來(lái)了哪些新的理論知識(shí)？

江：第一，微納米結(jié)構(gòu)和低表面能是創(chuàng)造超疏水的關(guān)鍵。第二，微納米結(jié)構(gòu)的排列、組合和取向可以控制液體的浸潤(rùn)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。第三，表面微納米結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)材料的表面親水或疏水性能，而微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于親水性和疏水性的增強(qiáng)程度是等價(jià)的。第四，親水和疏水的閾值（Intrinsic Wetting Thresholds，IWT。如果材料的本征接觸角大于此閾值，此種材料可以被改造為超疏水材料；而如果材料本征接觸角小于此閾值，則只能被改造為超親水材料）是由微納米結(jié)構(gòu)的表面梯度來(lái)確定的，由此，我們可以找到所有液體的浸潤(rùn)性閾值。楊氏方程認(rèn)為，液體的親疏水閾值都是90°。但我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，本征接觸角介于65°到90°之間的材料是可以被改造成超疏水材料的。這說(shuō)明楊氏方程在這一點(diǎn)上是不準(zhǔn)確的。如果說(shuō)前面三條是我們向教科書(shū)中填加了新的知識(shí)，那么這第四條還改寫(xiě)了教科書(shū)。

NSR：超浸潤(rùn)材料的理論體系是否已經(jīng)完備？

江：沒(méi)有，我們還需要從分子水平上去理解超浸潤(rùn)的原理，甚至于最終對(duì)楊氏方程做出補(bǔ)充。要做到這一點(diǎn)，我們可以使用拉曼光譜、二階或三階非線性光學(xué)的方法來(lái)檢測(cè)材料表面帶電金屬的親水、疏水相互作用是如何發(fā)生的，還可以用原子力顯微鏡做一些力的測(cè)量，看液體和表面之間的相互作用力到底是引力還是斥力。

NSR：超浸潤(rùn)材料有哪些實(shí)際應(yīng)用？

江：我們的每一項(xiàng)研究背后都有一個(gè)廣闊的市場(chǎng)。超疏水材料制成的自清潔領(lǐng)帶，已經(jīng)賣了幾百萬(wàn)條；超親水的自清潔防霧玻璃，已經(jīng)賣出了二十多萬(wàn)平米；油水分離設(shè)備也已經(jīng)賣出了幾百臺(tái)。從超浸潤(rùn)材料出發(fā)，我們還發(fā)展了綠色印刷技術(shù)。此外，我們從電鰻利用細(xì)胞膜上鉀離子通道來(lái)發(fā)電的自然現(xiàn)象中獲得啟示，發(fā)展了利用超浸潤(rùn)納米孔道來(lái)發(fā)電的能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)毛筆的保水性能進(jìn)行研究之后，我們還設(shè)計(jì)制造了可以刷出優(yōu)質(zhì)薄膜材料的器材，它可以用在實(shí)驗(yàn)室里，為材料科學(xué)的研究提供幫助。

NSR：從對(duì)自然超浸潤(rùn)材料的觀察，到發(fā)展出全新的實(shí)用材料，是一個(gè)怎樣的過(guò)程？

江：這個(gè)過(guò)程其實(shí)就是毛澤東思想所說(shuō)的三個(gè)過(guò)程：有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明、有所創(chuàng)造。發(fā)現(xiàn)是說(shuō)，我們?nèi)パ芯可锝缰械母鞣N現(xiàn)象，研究微觀結(jié)構(gòu)和功能特性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)原理。發(fā)現(xiàn)原理之后，第二個(gè)過(guò)程就是發(fā)明，用物理化學(xué)的方法在實(shí)驗(yàn)室中把它重現(xiàn)出來(lái)。在此基礎(chǔ)上，我們?cè)龠M(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，讓材料在具有自然界中性質(zhì)的同時(shí)，也具有其他性質(zhì)，這就是創(chuàng)造。之后又可以輪回回來(lái)，再在自然界中尋找新的材料。超浸潤(rùn)材料體系的創(chuàng)建就是這樣一個(gè)過(guò)程。

  我可以給你舉一個(gè)例子。仙人掌為什么能在沙漠里生存？有了這個(gè)問(wèn)題，我們就去找，這件事情的緣由是在哪兒，原來(lái)是因?yàn)橄扇苏频尼樋梢栽诳諝庵惺占F滴，然后把這些水滴運(yùn)送到它的莖部。明白了這個(gè)，我們馬上就可以去模仿仙人掌針葉的微觀結(jié)構(gòu)，來(lái)做出相應(yīng)的人工結(jié)構(gòu)，這就是發(fā)明。從這里出發(fā)，它能在空氣中收集水滴，那我們能不能發(fā)展出新的結(jié)構(gòu)，在水中收集油滴呢？如果可以，我們就能夠分離生活廢水中的微小油滴。還有那些已經(jīng)開(kāi)發(fā)了很多年的油田中打出來(lái)的液體，其中絕大部分都是水，只含有很少的油，我們可以從這種混合液體中把石油提取出來(lái)。

  于是，我們用仿仙人掌刺的結(jié)構(gòu)做成人造的針，液體流過(guò)來(lái)就可以把其中的油收集起來(lái)。這就是創(chuàng)造，已經(jīng)超越了原有的自然材料。這個(gè)創(chuàng)造具有非常大的市場(chǎng)前景，因?yàn)樗梢詮南匆聶C(jī)廢水中把表面活性劑分離出來(lái)。每一天都有大量的表面活性劑被人類排放在自然的水體中去，它們被微生物吸收，再經(jīng)過(guò)食物鏈的傳遞積累，可以對(duì)整個(gè)生物鏈中的生物，包括人類的健康產(chǎn)生非常大的影響。

NSR：要將科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，科學(xué)家要去申請(qǐng)專利，也可能需要直接參與公司運(yùn)營(yíng)等工作。您在這方面有哪些經(jīng)驗(yàn)？

江：專利當(dāng)然是必要的。但是現(xiàn)在的很多專利都是曇花一現(xiàn)，能夠被轉(zhuǎn)化的專利比例極小。這是因?yàn)樵诤芏啻髮W(xué)，學(xué)生可以用專利代替發(fā)表文章，來(lái)達(dá)到研究生畢業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。

  我不建議科學(xué)家自己去運(yùn)營(yíng)公司，因?yàn)檫@是一個(gè)非常艱苦的過(guò)程。做科研的時(shí)候，有一個(gè)發(fā)現(xiàn)就可以發(fā)一篇文章，但是要把它轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，只要其中有一點(diǎn)走不通，那全部的工作就沒(méi)辦法做下去了，這要比做科學(xué)研究、發(fā)表文章難太多了。一個(gè)人又要搞基礎(chǔ)研究，又要搞公司，幾乎是不可能的。

  但是如果是一次性的賣掉自己的技術(shù)，是可以的。我第一單的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)是6000萬(wàn)。當(dāng)時(shí)的整個(gè)洽談過(guò)程只用了30分鐘。我面前是一杯涼水、一杯熱水，一塊玻璃、一塊布。涼水倒在布上——水立刻全都流下去，而布還是干爽的。把玻璃放在熱水上方，其中是普通玻璃的一半馬上起霧，而另一半的超親水防霧玻璃則完全透明。就這么簡(jiǎn)單。

  當(dāng)時(shí)，對(duì)方想要給我們?nèi)齻�(gè)研究者一些個(gè)人報(bào)酬，我說(shuō)不要，我要1200萬(wàn)科研經(jīng)費(fèi)。利用這些經(jīng)費(fèi)，我們買了場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡、拉曼顯微鏡、拉曼光譜、紅外光譜、紫外光譜，等等。這些儀器大大提高了我研究組的工作效率。其他研究組的學(xué)生要做掃描電鏡，需要為化學(xué)所的公用儀器排隊(duì)14天。但是我的學(xué)生就只需要等1個(gè)小時(shí)，可以在一天之內(nèi)做完全部實(shí)驗(yàn)。

國(guó)家大劇院的外墻玻璃使用了超親水自潔技術(shù)。

NSR：在您回國(guó)的20年中，中國(guó)科學(xué)家在納米材料相關(guān)的領(lǐng)域做出了哪些重要成果？

江：我們整體的發(fā)展很快。其中的幾個(gè)重要成果包括唐本忠的聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料、李玉良的石墨炔、張濤和包信和的單原子催化、趙東元和李亞棟的納米結(jié)構(gòu)研究等。從發(fā)表文章數(shù)量上看，我們已經(jīng)超過(guò)了美國(guó)，但是也必須注意到，我們做出的原創(chuàng)性工作還相當(dāng)有限。

NSR：對(duì)于年輕人來(lái)講，現(xiàn)在是一個(gè)投身納米材料研究領(lǐng)域的好時(shí)機(jī)嗎？

江：絕對(duì)是好機(jī)會(huì)，但同時(shí)也是一個(gè)壞機(jī)會(huì)�，F(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域很熱，研究經(jīng)費(fèi)很充裕，也有很多先進(jìn)而昂貴的儀器。所以，很多人就會(huì)陷到這些儀器里面去。而把越多人力物力放到儀器里，就越難真正做事情，尤其是越難做出真正創(chuàng)新性的重要工作。這種發(fā)展是一把雙刃劍，真正的科學(xué)不能只靠錢，要依靠頭腦和思維。

NSR：您認(rèn)為什么才是真正的科學(xué)？年輕人又該如何找到真正值得研究的課題？

江：我認(rèn)為真正的科學(xué)只有兩種，一是創(chuàng)造新知識(shí)，二是創(chuàng)造新應(yīng)用。而關(guān)于研究方向的選擇，我認(rèn)為最重要的是要向自然學(xué)習(xí)。好的選題往往不是研究者自己選的，而是自然已經(jīng)幫我們選好的。比如說(shuō)，仙人掌能在沙漠里存活是客觀事實(shí)，我們?nèi)パ芯克�，只要不輕易放棄，就不太可能失敗。我們要去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而不是去制造問(wèn)題，不是去跟著別人的腳步做研究。

  選題的另一個(gè)關(guān)鍵是要量力而行。有一些問(wèn)題，比如破譯大腦的信息傳輸原理，是很難憑借少數(shù)科學(xué)家在短期內(nèi)取得成果的。這時(shí)候就要懂得如何把大的問(wèn)題切割成可以解決的小問(wèn)題，比如說(shuō)你可以從神經(jīng)的傳導(dǎo)機(jī)理、神經(jīng)細(xì)胞與外界交流的機(jī)制、神經(jīng)細(xì)胞膜上某個(gè)離子通道在神經(jīng)信息傳輸中的作用等小問(wèn)題開(kāi)始，這些小的問(wèn)題是可以解決的，也是有人正在做的。

NSR：您和多個(gè)學(xué)科的研究者都有合作關(guān)系。在和不同背景的研究者交流時(shí)，存在困難嗎？

江：沒(méi)有。對(duì)我來(lái)說(shuō)，沒(méi)有學(xué)科的阻礙。我本科是學(xué)物理的，后來(lái)轉(zhuǎn)向物理化學(xué)，學(xué)習(xí)了很多化學(xué)的知識(shí)，我還自學(xué)過(guò)生物學(xué)。我是一個(gè)興趣十分廣泛的人。

NSR：您曾經(jīng)在日本很多年，接受科研訓(xùn)練并從事科學(xué)研究。日本的科研環(huán)境給了您哪些影響？

江：我的日本導(dǎo)師藤島昭和我的中國(guó)導(dǎo)師李鐵津是性格截然相反的兩個(gè)人。李老師是一個(gè)文質(zhì)彬彬、非常正直、幾乎從來(lái)不開(kāi)玩笑的人，他的研究興趣很廣泛，什么都可以做。但是藤島老師則完全相反，他看中一個(gè)方向，就從基礎(chǔ)做到應(yīng)用，一輩子都在做同一件事。在這個(gè)方面我和藤島老師很像，我也始終在做同一個(gè)方向。而這種專注一個(gè)方向的鉆研精神，也是日本近現(xiàn)代材料科學(xué)取得巨大成就的原因之一。

NSR：那么您又是怎樣培養(yǎng)您自己的學(xué)生的呢？您如何培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神？

江：我的很多學(xué)生都很優(yōu)秀，其中不少人已經(jīng)是杰青、優(yōu)青或者青千。我在培養(yǎng)他們的時(shí)候很注重和他們的情感交流，只有先拉近彼此的距離，才能在科研上對(duì)他們進(jìn)行有效的指導(dǎo)。孫子曰，士不親不罰。就是這個(gè)道理。而在科研上，我一方面給他們足夠的自由，讓他們自己尋找解決問(wèn)題的方法，一方面又會(huì)時(shí)刻關(guān)注他們的研究進(jìn)展，對(duì)他們嚴(yán)格要求。只有這樣，才能讓他們快速學(xué)會(huì)做科研的方法和思路。