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    科研進展

    “Game changers”:Nature mimic | 江雷研究員入選自然指數五強國家代表性科學家

    稿件來源:業務處 發布時間:2022-03-23

           202239日,Nature增刊Nature Index遴選2015-2020年自然指數五強國家(美國、中國、德國、英國、日本)的五名杰出科學家代表,對他們的工作以“Game changers”為題進行了專題評述報導。中科院院士、中科院理化所江雷研究員作為中國代表入選。 

      Nature Index統計,中國在化學、物理科學領域的貢獻份額居全球首位。Nature根據國際上最具影響力的82種自然科學類期刊指出,江雷研究員是2015-2020年期間在仿生、納米材料領域世界最具影響力的作者。在基礎研究方面,從1998年開始,他通過研究荷葉表面的超疏水性(Adv. Mater., 2002, 14, 1857)和動物角膜的超親水性(Adv. Mater., 2021, 33, 2007152),發現靜態超浸潤的基本原理是微納米結構和表面能的協同效應控制表面界的超浸潤性。通過實驗確定液體親疏本征閾值(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 127, 14945),修正楊氏方程關于所有液體的親疏界限,提出表面超親超疏在納米結構上的轉變點為液體親疏界限。在靜態超浸潤研究的基礎上,通過研究多種生物的動態超浸潤特性,例如水黽腿(Nature, 2004, 432, 36),蜘蛛絲(Nature, 2010, 463, 640)和仙人掌(Nat. Commun., 2012, 3, 1247)表面的錐形微結構以及離子通道(Adv. Mater., 2016, 28, 3345)的內錐微結構都具有對微流體的定向驅動能力,提出動態超浸潤微液滴驅動基本原理是化學組成梯度、粗糙梯度、曲率梯度等調控流體輸運的方向。通過學習自然,他建立了包括64個組合方案的超浸潤界面材料體系(Nat. Rev. Mater., 2017, 2, 17036),并拓展到不同壓力和溫度范圍的各種液體體系(J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1727),引領并推動了該領域在全球的發展。 

      

    圖1. 64個組合方案的超浸潤界面材料體系以及拓展到不同壓力和溫度范圍的各種液體體系,其中十余項超浸潤界面材料體系方案應用于能源、健康、資源、環境、材料、化工等領域      

      從江雷研究員1998年回國組建課題組開展獨立原創性工作以來,共發表SCI論文800余篇,被引用151000余次,H因子為183Google Scholar數據)。仿生超浸潤領域引起了國際范圍內的研究熱潮,發表論文數呈現逐年顯著上升趨勢,截至2021年,發表論文總共超過23000篇。目前為止,世界上共有94個國家、超過1400個研究單位從事超浸潤領域的研究。在應用方面,十余項超浸潤界面材料體系方案應用于能源領域(濃差發電、高效傳熱)、健康領域(癌癥檢測、醫用導管)、資源領域(淡水采集、石油增采)、環境領域(油水/乳液/染料分離、農藥增效)、材料領域(微加工技術及制備技術)、化工領域(高效高選擇性催化體系)。目前已有授權專利70余項,其中一些專利已經實現了技術轉化。2021年,超浸潤性技術入選IUPAC化學領域十大新興技術。  

    圖2. 超浸潤性技術入選2021IUPAC化學領域十大新興技術   

      2020年以來,江雷研究員的研究領域集中在動態超潤濕性。他試圖回答生命科學中一個非常重要的問題,即生命體系是如何實現超低能耗的高效能量轉換、信息傳輸和物質合成?通過提出在納米通道(例如,離子、分子通道)中應該存在一種超低阻抗的物質傳輸的觀點進行解釋,其中離子或分子的定向集團運動是一個必要條件,而不是傳統的擴散運動。離子和分子的定向集團運動被認為是離子/分子超流體(CCS Chem., 2021, 3, 1258)。離子/分子超流形成的驅動力需要兩個必要條件:(1)離子或分子被限域在一定的距離內,例如,約兩倍離子德拜長度(2λD),或兩倍分子范德華平衡距離(2d0)。(2當粒子的吸引勢能(E0)大于熱噪聲(kBTc)時,可以形成離子/分子超流體。并總結了電子超導、原子超流與離子/分子超流的共性,嘗試推導出了在環境溫度下離子/分子超流量子態的統一方程(Nano Res., 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-4121-0)。  

    圖3. 離子/分子超流形成的驅動力以及在環境溫度下離子/分子超流量子態的唯象表達式  

      離子超流體概念的提出同時也促進了對生物體系實現超低能耗能量轉換和信息傳輸的理解。鰻魚發電時身體的擺動和心臟復蘇過程表明能量從機械能轉換為電能時,機械調制可能導致離子的集團運動,即離子相干共振的宏觀量子態。并進一步提出,離子通道的宏觀量子態可能是神經信息的載體(Sci. China Mater., 2020, 63, 167; Sci. China Mater., 2021, 64, 2572)。在生物離子通道體系中,離子在離子通道流動的過程中可以發射具有特征頻率的電磁波,而環境場(如腦電波)能夠將各種離子通道調制為相干共振態,即離子通道的宏觀量子態。  

    圖4.離子/分子超流體的研究將為理解生命體系超低能耗的高效能量轉換、信息傳輸和物質合成提供新的思路,推動神經科學和腦科學的發展,發展量子離子學技術,開發未來化學化工反應器

      通過分子超流體概念的提出也為研究生物體系的超低能耗化學合成提供了新的思路。研究表明,ATP分解為ADP釋放頻率約為34太赫茲的光子,并進一步驅動DNA聚合酶納米腔中的DNA聚合(Nano Res., 2021, 14, 40)。提出光化學(中遠紅外)反應可能是高效生物合成的驅動力(Nano Res., 2021, 14, 4367),并提出中遠紅外多光子共振驅動的量子化合成的設計,通過構建具有不同微孔結構的膜反應器,以實現低能耗的高效合成(Chem. Sci., 2020, 11, 10035)。離子/分子超流的研究,將推動神經科學和腦科學的發展,發展量子離子學技術,開發具有高通量、高選擇性和低能耗的未來化學化工反應器,并將產生一系列顛覆性技術。  

     

      原文鏈接:https://www.nature.com/articles/d41586-022-00572-y  

     

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