据Nature Index统计，中国在化学、物理科学领域的贡献份额居全球首位。Nature根据国际上最具影响力的82种自然科学类期刊指出，江雷研究员是2015-2020年期间在仿生、纳米材料领域世界最具影响力的作者。在基础研究方面，从1998年开始，他通过研究荷叶表面的超疏水性（Adv. Mater., 2002, 14, 1857）和动物角膜的超亲水性（Adv. Mater., 2021, 33, 2007152），发现静态超浸润的基本原理是微纳米结构和表面能的协同效应控制表面界的超浸润性。通过实验确定液体亲疏本征阈值（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 127, 14945），修正杨氏方程关于所有液体的亲疏界限，提出表面超亲超疏在纳米结构上的转变点为液体亲疏界限。在静态超浸润研究的基础上，通过研究多种生物的动态超浸润特性，例如水黾腿（Nature, 2004, 432, 36），蜘蛛丝（Nature, 2010, 463, 640）和仙人掌（Nat. Commun., 2012, 3, 1247）表面的锥形微结构以及离子通道（Adv. Mater., 2016, 28, 3345）的内锥微结构都具有对微流体的定向驱动能力，提出动态超浸润微液滴驱动基本原理是化学组成梯度、粗糙梯度、曲率梯度等调控流体输运的方向。通过学习自然，他建立了包括64个组合方案的超浸润界面材料体系（Nat. Rev. Mater., 2017, 2, 17036），并拓展到不同压力和温度范围的各种液体体系（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 1727），引领并推动了该领域在全球的发展。
图1. 64个组合方案的超浸润界面材料体系以及拓展到不同压力和温度范围的各种液体体系，其中十余项超浸润界面材料体系方案应用于能源、健康、资源、环境、材料、化工等领域
从江雷研究员1998年回国组建课题组开展独立原创性工作以来，共发表SCI论文800余篇，被引用151000余次，H因子为183（Google Scholar数据）。仿生超浸润领域引起了国际范围内的研究热潮，发表论文数呈现逐年显著上升趋势，截至2021年，发表论文总共超过23000篇。目前为止，世界上共有94个国家、超过1400个研究单位从事超浸润领域的研究。在应用方面，十余项超浸润界面材料体系方案应用于能源领域（浓差发电、高效传热）、健康领域（癌症检测、医用导管）、资源领域（淡水采集、石油增采）、环境领域（油水／乳液／染料分离、农药增效）、材料领域（微加工技术及制备技术）、化工领域（高效高选择性催化体系）。目前已有授权专利70余项，其中一些专利已经实现了技术转化。2021年，超浸润性技术入选IUPAC化学领域十大新兴技术。
图2. 超浸润性技术入选2021年IUPAC化学领域十大新兴技术
自2020年以来，江雷研究员的研究领域集中在动态超润湿性。他试图回答生命科学中一个非常重要的问题，即生命体系是如何实现超低能耗的高效能量转换、信息传输和物质合成？通过提出在纳米通道（例如，离子、分子通道）中应该存在一种超低阻抗的物质传输的观点进行解释，其中离子或分子的定向集团运动是一个必要条件，而不是传统的扩散运动。离子和分子的定向集团运动被认为是离子/分子超流体（CCS Chem., 2021, 3, 1258）。离子/分子超流形成的驱动力需要两个必要条件：（1）离子或分子被限域在一定的距离内，例如，约两倍离子德拜长度（2λD），或两倍分子范德华平衡距离（2d0）。（2）当粒子的吸引势能（E0）大于热噪声（kBTc）时，可以形成离子/分子超流体。并总结了电子超导、原子超流与离子/分子超流的共性，尝试推导出了在环境温度下离子/分子超流量子态的统一方程（Nano Res., 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-4121-0）。
图3. 离子/分子超流形成的驱动力以及在环境温度下离子/分子超流量子态的唯象表达式
离子超流体概念的提出同时也促进了对生物体系实现超低能耗能量转换和信息传输的理解。鳗鱼发电时身体的摆动和心脏复苏过程表明能量从机械能转换为电能时，机械调制可能导致离子的集团运动，即离子相干共振的宏观量子态。并进一步提出，离子通道的宏观量子态可能是神经信息的载体（Sci. China Mater., 2020, 63, 167; Sci. China Mater., 2021, 64, 2572）。在生物离子通道体系中，离子在离子通道流动的过程中可以发射具有特征频率的电磁波，而环境场(如脑电波)能够将各种离子通道调制为相干共振态，即离子通道的宏观量子态。
图4.离子/分子超流体的研究将为理解生命体系超低能耗的高效能量转换、信息传输和物质合成提供新的思路，推动神经科学和脑科学的发展，发展量子离子学技术，开发未来化学化工反应器
通过分子超流体概念的提出也为研究生物体系的超低能耗化学合成提供了新的思路。研究表明，ATP分解为ADP释放频率约为34太赫兹的光子，并进一步驱动DNA聚合酶纳米腔中的DNA聚合（Nano Res., 2021, 14, 40）。提出光化学（中远红外）反应可能是高效生物合成的驱动力（Nano Res., 2021, 14, 4367），并提出中远红外多光子共振驱动的量子化合成的设计，通过构建具有不同微孔结构的膜反应器，以实现低能耗的高效合成（Chem. Sci., 2020, 11, 10035）。离子/分子超流的研究，将推动神经科学和脑科学的发展，发展量子离子学技术，开发具有高通量、高选择性和低能耗的未来化学化工反应器，并将产生一系列颠覆性技术。
原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-022-00572-y
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