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師法自然！江雷院士Nature代表作集錦

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2020年12月04日 -
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木木西裏科技水接觸角（CA）大於150°的超疏水表面在基礎研究和實際應用領域非常具有前景，在自然界中，這樣子的現象廣泛存在，如荷葉和稻葉。 自然界的這些結果為構造人造超疏水表面和設計可控制的潤濕性提供了指南。 受自然啟發，江雷等人制備了聚合物納米纖維和不同圖案的取向碳納米管（ACNT）薄膜的超疏水表面。 Feng, L., et al.. (2002), SuperHydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Adv. Mater., 14: 1857-1860.https://doi.org/10.1002/adma.200290020在2004年，江雷教授等人在Nature發表關於水黽的拒水腿的研究論文，被引次數達1869次水黽，相信大家在池塘裏都見過，它可以非常平穩地停留在水面上，而且毫不費力地在水面上快速移動，這一特征被認為是由於分泌的蠟造成的表面張力效應。 然而，針對這一自然現象，江雷等人在2004年的Nature上表明，事實並非如此，研究認為腿的特殊層次結構由於被大量帶有細納米槽的定向細小毛發覆蓋著，使其在誘導這種耐水性方面更重要。 該發現可能有助於設計小型水生設備和非潤濕材料。 Gao, X., Jiang, L. Water-repellent legs of water striders. Nature 432, 36 (2004).https://doi.org/10.1038/432036a張愛玲曾寫道：雨，像銀灰色黏濕的蛛絲，織成一片輕柔的網，網住了整個秋的世界。 這應該是文科生的浪漫。 那麼雨和蛛絲對於理科生而言有什麼浪漫？——上Nature封面！江雷教授等人從微納米層次上揭示了蜘蛛絲集水“多協同效應”機制，並通過設計人造蜘蛛絲，實現了小尺度液滴的方向性驅動。 這項工作可以為可從霧中收集淡水或在工業過程中過濾液體氣溶膠的功能性表面設計提供依據。 這也是北航的首篇Nature論文，到目前已被引1023次。 Zheng, Y., et al. Directional water collection on wetted spider silk. Nature 463, 640–643 (2010).https://doi.org/10.1038/nature08729江雷教授另一篇代表作是2016年的，同樣是發表在Nature上的論文，他們研究了豬籠草表面的連續定向水輸送。 食肉植物豬籠草捕獲昆蟲是因為昆蟲其投手器官的濕邊緣失足滑落而被豬籠草吞噬。 北航大學江雷教授、張德遠教授和陳華偉教授等人揭示了該現象，認為這是通過在濕邊緣表面連續不斷地定向輸水來實現的，這是多尺度結構特征的結果，開創性地提出了無動力自潤滑防粘新理念，對解決微創手術器械防粘技術難題具有重要參考價值。 Chen, H., et al. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature 532, 85–89 (2016).https://doi.org/10.1038/nature17189咱們最後介紹一下江雷教授在Nature Reviews Materials上的代表性綜述：自然啟發的超浸潤體系超浸潤性是一個具有數百年歷史的概念，在過去的幾十年中已被重新發現，這在很大程度上是由於人們對自然界中特殊浸潤現象的機理有了新的認識。 多尺度結構和表面化學成分的結合對於制造具有超浸潤性的界面材料至關重要。 在本綜述中，江雷教授等人詳細介紹了其歷史發展並總結了超浸潤系統中各種組合的超浸潤狀態。 還簡要介紹了自然可濕性材料的設計原理。 超浸潤系統可以從2D表面擴展到0D納米粒子，1D纖維和管狀體以及3D集成材料。 還討論了新現象以及基於超浸潤系統在化學反應和材料制造方面的優勢，包括利用單個極端浸潤狀態或結合兩個極端浸潤狀態的新興應用。 最後，還提供了對未來研究方向的看法。 Liu, M., et al., Nature-inspired superwettability systems. Nat Rev Mater 2, 17036 (2017).https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.36個人簡介：江雷，無機化學家、納米材料專家，北京航空航天大學化學與環境學院院長。 2009年當選中國科學院院士；2012年當選發展中國家科學院院士；2016年當選為美國國家工程院外籍院士。 江雷教授主要在交叉科學領域從事仿生界面材料的合成與制備方面的研究，主要有以下幾個方面的研究：（1）通過向自然學習，研究多種生物體表面特殊浸潤性，揭示了生物體表面超疏水性的形成機理，為相關仿生界面及智能材料的設計制備提供依據；（2）仿生制備超疏水界面材料，並實現多功能化組合的超疏水表面，又同時將不同種類的特殊浸潤性如：超疏油/超疏水（超雙疏）、超親油/超親水（超雙親）、超疏油/超親水、超疏水/超親油組合，建立仿生超疏水界面材料體系；（3）通過系統研究界面材料結構和特性規律，提出了"納米界面材料的二元協同效應"，創造性地將仿生微納米複合結構與外場響應性分子設計相結合，實現了在單一或多重外場控制下材料表面浸潤性的可逆變化；（4）通過將單一物性（浸潤）的二元（親/疏）設計理念推廣到其它物性體系，提出了仿生智能多尺度界面材料的設計方案，為仿生界面材料體系的發展提供了新方法。 內容來源：奇物論
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水接觸角（CA）大於150°的超疏水表面在基礎研究和實際應用領域非常具有前景，在自然界中，這樣子的現象廣泛存在，如荷葉和稻葉。自然界的這些結果為構造人造超疏水表面和設計可控制的潤濕性提供了指南。受自然啟發，江雷等人制備了聚合物納米纖維和不同圖案的取向碳納米管（ACNT）薄膜的超疏水表面。

Feng, L., et al.. (2002), SuperHydrophobic Surfaces: From Natural to Artificial. Adv. Mater., 14: 1857-1860.

https://doi.org/10.1002/adma.200290020

在2004年，江雷教授等人在Nature發表關於水黽的拒水腿的研究論文，被引次數達1869次

水黽，相信大家在池塘裏都見過，它可以非常平穩地停留在水面上，而且毫不費力地在水面上快速移動，這一特征被認為是由於分泌的蠟造成的表面張力效應。

然而，針對這一自然現象，江雷等人在2004年的Nature上表明，事實並非如此，研究認為腿的特殊層次結構由於被大量帶有細納米槽的定向細小毛發覆蓋著，使其在誘導這種耐水性方面更重要。該發現可能有助於設計小型水生設備和非潤濕材料。

Gao, X., Jiang, L. Water-repellent legs of water striders. Nature 432, 36 (2004).

https://doi.org/10.1038/432036a

張愛玲曾寫道：雨，像銀灰色黏濕的蛛絲，織成一片輕柔的網，網住了整個秋的世界。這應該是文科生的浪漫。那麼雨和蛛絲對於理科生而言有什麼浪漫？——上Nature封面！

江雷教授等人從微納米層次上揭示了蜘蛛絲集水“多協同效應”機制，並通過設計人造蜘蛛絲，實現了小尺度液滴的方向性驅動。這項工作可以為可從霧中收集淡水或在工業過程中過濾液體氣溶膠的功能性表面設計提供依據。這也是北航的首篇Nature論文，到目前已被引1023次。

Zheng, Y., et al. Directional water collection on wetted spider silk. Nature 463, 640–643 (2010).

https://doi.org/10.1038/nature08729

江雷教授另一篇代表作是2016年的，同樣是發表在Nature上的論文，他們研究了豬籠草表面的連續定向水輸送。

食肉植物豬籠草捕獲昆蟲是因為昆蟲其投手器官的濕邊緣失足滑落而被豬籠草吞噬。北航大學江雷教授、張德遠教授和陳華偉教授等人揭示了該現象，認為這是通過在濕邊緣表面連續不斷地定向輸水來實現的，這是多尺度結構特征的結果，開創性地提出了無動力自潤滑防粘新理念，對解決微創手術器械防粘技術難題具有重要參考價值。

Chen, H., et al. Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata. Nature 532, 85–89 (2016).

https://doi.org/10.1038/nature17189

咱們最後介紹一下江雷教授在Nature Reviews Materials上的代表性綜述：自然啟發的超浸潤體系

超浸潤性是一個具有數百年歷史的概念，在過去的幾十年中已被重新發現，這在很大程度上是由於人們對自然界中特殊浸潤現象的機理有了新的認識。多尺度結構和表面化學成分的結合對於制造具有超浸潤性的界面材料至關重要。

在本綜述中，江雷教授等人詳細介紹了其歷史發展並總結了超浸潤系統中各種組合的超浸潤狀態。還簡要介紹了自然可濕性材料的設計原理。超浸潤系統可以從2D表面擴展到0D納米粒子，1D纖維和管狀體以及3D集成材料。還討論了新現象以及基於超浸潤系統在化學反應和材料制造方面的優勢，包括利用單個極端浸潤狀態或結合兩個極端浸潤狀態的新興應用。最後，還提供了對未來研究方向的看法。

Liu, M., et al., Nature-inspired superwettability systems. Nat Rev Mater 2, 17036 (2017).

https://doi.org/10.1038/natrevmats.2017.36

個人簡介：

江雷，無機化學家、納米材料專家，北京航空航天大學化學與環境學院院長。2009年當選中國科學院院士；2012年當選發展中國家科學院院士；2016年當選為美國國家工程院外籍院士。

江雷教授主要在交叉科學領域從事仿生界面材料的合成與制備方面的研究，主要有以下幾個方面的研究：

（1）通過向自然學習，研究多種生物體表面特殊浸潤性，揭示了生物體表面超疏水性的形成機理，為相關仿生界面及智能材料的設計制備提供依據；

（2）仿生制備超疏水界面材料，並實現多功能化組合的超疏水表面，又同時將不同種類的特殊浸潤性如：超疏油/超疏水（超雙疏）、超親油/超親水（超雙親）、超疏油/超親水、超疏水/超親油組合，建立仿生超疏水界面材料體系；

（3）通過系統研究界面材料結構和特性規律，提出了"納米界面材料的二元協同效應"，創造性地將仿生微納米複合結構與外場響應性分子設計相結合，實現了在單一或多重外場控制下材料表面浸潤性的可逆變化；

（4）通過將單一物性（浸潤）的二元（親/疏）設計理念推廣到其它物性體系，提出了仿生智能多尺度界面材料的設計方案，為仿生界面材料體系的發展提供了新方法。

內容來源：奇物論