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  200多年前，超浸潤現(xiàn)象就已經(jīng)引起了科學(xué)家的關(guān)注。1805年，英國科學(xué)家托馬斯·楊提出可以用接觸角來衡量材料表面的液體浸潤性，這一標準沿用至今。當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材料。

  人類對于超浸潤材料的認識由來已久，但直到大概二十年前，科學(xué)家開始對自然界中超浸潤材料的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察與模仿，超浸潤材料相關(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、水下超疏油的魚鱗——每一種自然超浸潤材料微觀結(jié)構(gòu)的揭示，都為材料科學(xué)帶來啟示。如今，在傳感、油水分離、能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域中，經(jīng)過重新設(shè)計組合的超浸潤材料已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

  江雷院士（中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士、美國工程院外籍院士）是仿生超浸潤材料領(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)同互補的兩種組分），為超浸潤材料的設(shè)計提供了框架。在此次NSR訪談中，江雷院士介紹了過去二十年中這一領(lǐng)域在基礎(chǔ)和應(yīng)用方面所取得的突破，同時交流了他對科學(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。

超浸潤材料與二元協(xié)同界面效應(yīng)

NSR：您是如何進入仿生超浸潤材料這一研究領(lǐng)域的？

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

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年準備日本化學(xué)學(xué)會春季會議的時候，我當時在做光誘導(dǎo)表面相變相關(guān)的工作。在觀察微觀結(jié)構(gòu)時，我們看到在納米尺度下，兩個亞穩(wěn)態(tài)——只有一點差距的一個低能態(tài)和一個高能態(tài)，在同一個表面上存在。我當時就考慮，能不能把這個現(xiàn)象推廣出去呢？因為世界本身就是對立統(tǒng)一的，二元協(xié)同的體系也符合老子的陰陽協(xié)同的想法。于是，我們就從這一想法出發(fā)進行了超疏水材料的設(shè)計，我們設(shè)計了要使用怎樣的有孔材料——這個孔是親水的，那個孔是疏水的；或者這個孔是外壁疏水、內(nèi)壁親水的，那個孔是外壁親水、內(nèi)壁疏水的——來實現(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)計和寫作工作，而文章是在2000年發(fā)表的[L. Jiang et al. Pure Appl Chem 2000; 72: 73-81]。

NSR：您剛剛回國的時候，國內(nèi)在超浸潤材料領(lǐng)域的研究情況如何？您的工作是否得到了認同和支持？

江：當時國內(nèi)還是一片空白。我的工作計劃得到了科技部和基金委的支持，但還是有不少科學(xué)家不認同我的研究思路，他們覺得已有的超疏水材料就已經(jīng)不錯，沒有必要再去用二元協(xié)同效應(yīng)來做納米水平的新材料。

NSR：您對許多種自然界中的超浸潤材料進行了研究，它們的超浸潤性質(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性質(zhì)的同時，又具備另外的性質(zhì)，往往是多功能的。比如說，蚊子的復(fù)眼是超疏水的，同時它又減反射；楊樹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，它可以用來收集霧滴；魚鱗在水下是超疏油的，可以防止生物黏附，同時減阻。這些不同的性質(zhì)都可以在材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成中找到對應(yīng)，而很多響應(yīng)性的材料也都可以說是“智能”的。

NSR：在超浸潤材料領(lǐng)域，您的研究帶來了哪些新的理論知識？

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狀態(tài)和運動趨勢。第三，表面微納米結(jié)構(gòu)可以增強材料的表面親水或疏水性能，而微觀結(jié)構(gòu)對于親水性和疏水性的增強程度是等價的。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)的表面梯度來確定的，由此，我們可以找到所有液體的浸潤性閾值。楊氏方程認為，液體的親疏水閾值都是90°。但我們在實驗中發(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。這說明楊氏方程在這一點上是不準確的。如果說前面三條是我們向教科書中填加了新的知識，那么這第四條還改寫了教科書。

NSR：超浸潤材料的理論體系是否已經(jīng)完備？

江：沒有，我們還需要從分子水平上去理解超浸潤的原理，甚至于最終對楊氏方程做出補充。要做到這一點，我們可以使用拉曼光譜、二階或三階非線性光學(xué)的方法來檢測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：超浸潤材料有哪些實際應(yīng)用？

江：我們的每一項研究背后都有一個廣闊的市場。超疏水材料制成的自清潔領(lǐng)帶，已經(jīng)賣了幾百萬條；超親水的自清潔防霧玻璃，已經(jīng)賣出了二十多萬平米；油水分離設(shè)備也已經(jīng)賣出了幾百臺。從超浸潤材料出發(fā)，我們還發(fā)展了綠色印刷技術(shù)。此外，我們從電鰻利用細胞膜上鉀離子通道來發(fā)電的自然現(xiàn)象中獲得啟示，發(fā)展了利用超浸潤納米孔道來發(fā)電的能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。對中國傳統(tǒng)毛筆的保水性能進行研究之后，我們還設(shè)計制造了可以刷出優(yōu)質(zhì)薄膜材料的器材，它可以用在實驗室里，為材料科學(xué)的研究提供幫助。

NSR：從對自然超浸潤材料的觀察，到發(fā)展出全新的實用材料，是一個怎樣的過程？

江：這個過程其實就是毛澤東思想所說的三個過程：有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明、有所創(chuàng)造。發(fā)現(xiàn)是說，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，第二個過程就是發(fā)明，用物理化學(xué)的方法在實驗室中把它重現(xiàn)出來。在此基礎(chǔ)上，我們再進行進一步改進，讓材料在具有自然界中性質(zhì)的同時，也具有其他性質(zhì)，這就是創(chuàng)造。之后又可以輪回回來，再在自然界中尋找新的材料。超浸潤材料體系的創(chuàng)建就是這樣一個過程。

  我可以給你舉一個例子。仙人掌為什么能在沙漠里生存？有了這個問題，我們就去找，這件事情的緣由是在哪兒，原來是因為仙人掌的針可以在空氣中收集霧滴，然后把這些水滴運送到它的莖部。明白了這個，我們馬上就可以去模仿仙人掌針葉的微觀結(jié)構(gòu)，來做出相應(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)開發(fā)了很多年的油田中打出來的液體，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。

  于是，我們用仿仙人掌刺的結(jié)構(gòu)做成人造的針，液體流過來就可以把其中的油收集起來。這就是創(chuàng)造，已經(jīng)超越了原有的自然材料。這個創(chuàng)造具有非常大的市場前景，因為它可以從洗衣機廢水中把表面活性劑分離出來。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)過食物鏈的傳遞積累，可以對整個生物鏈中的生物，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)家要去申請專利，也可能需要直接參與公司運營等工作。您在這方面有哪些經(jīng)驗？

江：專利當然是必要的。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。這是因為在很多大學(xué)，學(xué)生可以用專利代替發(fā)表文章，來達到研究生畢業(yè)的標準。

  我不建議科學(xué)家自己去運營公司，因為這是一個非常艱苦的過程。做科研的時候，有一個發(fā)現(xiàn)就可以發(fā)一篇文章，但是要把它轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，只要其中有一點走不通，那全部的工作就沒辦法做下去了，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)讓費是6000萬。當時的整個洽談過程只用了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。就這么簡單。

  當時，對方想要給我們?nèi)齻�研究者一些個人報酬，我說不要，我要1200萬科研經(jīng)費。利用這些經(jīng)費，我們買了場發(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14天。但是我的學(xué)生就只需要等1個小時，可以在一天之內(nèi)做完全部實驗。

國家大劇院的外墻玻璃使用了超親水自潔技術(shù)。

NSR：在您回國的20年中，中國科學(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)超過了美國，但是也必須注意到，我們做出的原創(chuàng)性工作還相當有限。

NSR：對于年輕人來講，現(xiàn)在是一個投身納米材料研究領(lǐng)域的好時機嗎？

江：絕對是好機會，但同時也是一個壞機會�，F(xiàn)在這個領(lǐng)域很熱，研究經(jīng)費很充裕，也有很多先進而昂貴的儀器。所以，很多人就會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：我認為真正的科學(xué)只有兩種，一是創(chuàng)造新知識，二是創(chuàng)造新應(yīng)用。而關(guān)于研究方向的選擇，我認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，仙人掌能在沙漠里存活是客觀事實，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)問題，而不是去制造問題，不是去跟著別人的腳步做研究。

  選題的另一個關(guān)鍵是要量力而行。有一些問題，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。這時候就要懂得如何把大的問題切割成可以解決的小問題，比如說你可以從神經(jīng)的傳導(dǎo)機理、神經(jīng)細胞與外界交流的機制、神經(jīng)細胞膜上某個離子通道在神經(jīng)信息傳輸中的作用等小問題開始，這些小的問題是可以解決的，也是有人正在做的。

NSR：您和多個學(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，存在困難嗎？

江：沒有。對我來說，沒有學(xué)科的阻礙。我本科是學(xué)物理的，后來轉(zhuǎn)向物理化學(xué)，學(xué)習(xí)了很多化學(xué)的知識，我還自學(xué)過生物學(xué)。我是一個興趣十分廣泛的人。

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導(dǎo)師李鐵津是性格截然相反的兩個人。李老師是一個文質(zhì)彬彬、非常正直、幾乎從來不開玩笑的人，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。在這個方面我和藤島老師很像，我也始終在做同一個方向。而這種專注一個方向的鉆研精神，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，才能在科研上對他們進行有效的指導(dǎo)。孫子曰，士不親不罰。就是這個道理。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題的方法，一方面又會時刻關(guān)注他們的研究進展，對他們嚴格要求。只有這樣，才能讓他們快速學(xué)會做科研的方法和思路。