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  200多年前，超浸潤現象就已經引起了科學家的關注。1805年，英國科學家托馬斯·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，科學家開始對自然界中超浸潤材料的微觀結構進行觀察與模仿，超浸潤材料相關的研究才得以蓬勃發展，在基礎到應用的各個領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構的揭示，都為材料科學帶來啟示。如今，在傳感、油水分離、能量轉換等領域中，經過重新設計組合的超浸潤材料已經獲得了廣泛的應用。

  江雷院士（中國科學院院士、發展中國家科學院院士、美國工程院外籍院士）是仿生超浸潤材料領域的先驅者之一，他提出的“二元協同界面效應”（同一界面在微觀尺度上存在物理化學性質完全相反而又協同互補的兩種組分），為超浸潤材料的設計提供了框架。在此次NSR訪談中，江雷院士介紹了過去二十年中這一領域在基礎和應用方面所取得的突破，同時交流了他對科學研究的諸多感受。

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同界面效應

NSR：您是如何進入仿生超浸潤材料這一研究領域的？

江：1996年，我在德國漢堡參加一個STM（Scanning Tunneling Microscope，掃描隧道顯微鏡）相關的國際會議。在和幾位外國科學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，那應該是挺有意思的一件事。而我還在日本的時候，就已經在考慮要利用二元協同效應來做一些事情。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同界面效應的？這一概念的提出是在看到荷葉微觀結構之前還是之后？

江：先提出的概念。那是在1998年準備日本化學學會春季會議的時候，我當時在做光誘導表面相變相關的工作。在觀察微觀結構時，我們看到在納米尺度下，兩個亞穩態——只有一點差距的一個低能態和一個高能態，在同一個表面上存在。我當時就考慮，能不能把這個現象推廣出去呢？因為世界本身就是對立統一的，二元協同的體系也符合老子的陰陽協同的想法。于是，我們就從這一想法出發進行了超疏水材料的設計，我們設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、內壁親水的，那個孔是外壁親水、內壁疏水的——來實現宏觀上的超疏水性質。在1998、1999年，我們提出了二元協同概念，并完成了這些設計和寫作工作，而文章是在2000年發表的[L. Jiang et al. Pure Appl Chem 2000; 72: 73-81]。

NSR：您剛剛回國的時候，國內在超浸潤材料領域的研究情況如何？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不錯，沒有必要再去用二元協同效應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的同時，又具備另外的性質，往往是多功能的。比如說，蚊子的復眼是超疏水的，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。這些不同的性質都可以在材料的結構和化學組成中找到對應，而很多響應性的材料也都可以說是“智能”的。

NSR：在超浸潤材料領域，您的研究帶來了哪些新的理論知識？

江：第一，微納米結構和低表面能是創造超疏水的關鍵。第二，微納米結構的排列、組合和取向可以控制液體的浸潤狀態和運動趨勢。第三，表面微納米結構可以增強材料的表面親水或疏水性能，而微觀結構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）是由微納米結構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°。但我們在實驗中發現，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帶，已經賣了幾百萬條；超親水的自清潔防霧玻璃，已經賣出了二十多萬平米；油水分離設備也已經賣出了幾百臺。從超浸潤材料出發，我們還發展了綠色印刷技術。此外，我們從電鰻利用細胞膜上鉀離子通道來發電的自然現象中獲得啟示，發展了利用超浸潤納米孔道來發電的能量轉移系統。對中國傳統毛筆的保水性能進行研究之后，我們還設計制造了可以刷出優質薄膜材料的器材，它可以用在實驗室里，為材料科學的研究提供幫助。

NSR：從對自然超浸潤材料的觀察，到發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：有所發現、有所發明、有所創造。發現是說，我們去研究生物界中的各種現象，研究微觀結構和功能特性之間的關系，發現原理。發現原理之后，第二個過程就是發明，用物理化學的方法在實驗室中把它重現出來。在此基礎上，我們再進行進一步改進，讓材料在具有自然界中性質的同時，也具有其他性質，這就是創造。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構，來做出相應的人工結構，這就是發明。從這里出發，它能在空氣中收集水滴，那我們能不能發展出新的結構，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。還有那些已經開發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構做成人造的針，液體流過來就可以把其中的油收集起來。這就是創造，已經超越了原有的自然材料。這個創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，包括人類的健康產生非常大的影響。

NSR：要將科研成果轉化為產品，科學家要去申請專利，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驗？

江：專利當然是必要的。但是現在的很多專利都是曇花一現，能夠被轉化的專利比例極小。這是因為在很多大學，學生可以用專利代替發表文章，來達到研究生畢業的標準。

  我不建議科學家自己去運營公司，因為這是一個非常艱苦的過程。做科研的時候，有一個發現就可以發一篇文章，但是要把它轉化為應用，只要其中有一點走不通，那全部的工作就沒辦法做下去了，這要比做科學研究、發表文章難太多了。一個人又要搞基礎研究，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，是可以的。我第一單的技術轉讓費是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，對方想要給我們三個研究者一些個人報酬，我說不要，我要1200萬科研經費。利用這些經費，我們買了場發射掃描電鏡、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。其他研究組的學生要做掃描電鏡，需要為化學所的公用儀器排隊14天。但是我的學生就只需要等1個小時，可以在一天之內做完全部實驗。

國家大劇院的外墻玻璃使用了超親水自潔技術。

NSR：在您回國的20年中，中國科學家在納米材料相關的領域做出了哪些重要成果？

江：我們整體的發展很快。其中的幾個重要成果包括唐本忠的聚集誘導發光材料、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構研究等。從發表文章數量上看，我們已經超過了美國，但是也必須注意到，我們做出的原創性工作還相當有限。

NSR：對于年輕人來講，現在是一個投身納米材料研究領域的好時機嗎？

江：絕對是好機會，但同時也是一個壞機會。現在這個領域很熱，研究經費很充裕，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新性的重要工作。這種發展是一把雙刃劍，真正的科學不能只靠錢，要依靠頭腦和思維。

NSR：您認為什么才是真正的科學？年輕人又該如何找到真正值得研究的課題？

江：我認為真正的科學只有兩種，一是創造新知識，二是創造新應用。而關于研究方向的選擇，我認為最重要的是要向自然學習。好的選題往往不是研究者自己選的，而是自然已經幫我們選好的。比如說，仙人掌能在沙漠里存活是客觀事實，我們去研究它，只要不輕易放棄，就不太可能失敗。我們要去發現問題，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，是很難憑借少數科學家在短期內取得成果的。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的傳導機理、神經細胞與外界交流的機制、神經細胞膜上某個離子通道在神經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：您和多個學科的研究者都有合作關系。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，沒有學科的阻礙。我本科是學物理的，后來轉向物理化學，學習了很多化學的知識，我還自學過生物學。我是一個興趣十分廣泛的人。

NSR：您曾經在日本很多年，接受科研訓練并從事科學研究。日本的科研環境給了您哪些影響？

江：我的日本導師藤島昭和我的中國導師李鐵津是性格截然相反的兩個人。李老師是一個文質彬彬、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，就從基礎做到應用，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，也是日本近現代材料科學取得巨大成就的原因之一。

NSR：那么您又是怎樣培養您自己的學生的呢？您如何培養他們的創新精神？

江：我的很多學生都很優秀，其中不少人已經是杰青、優青或者青千。我在培養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。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，才能讓他們快速學會做科研的方法和思路。