中国科学院理化技术研究所江雷

haorizi111

海水和河水之间的渗透压差是一种很有前景的可再生能源，当前的渗透能转换过程功率输出十分有限，主要是没有专门用于渗透能转换的高性能的离子选择性透过膜。具有可控离子传输行为的纳米流体通道能够实现高性能的反向电渗析，促进对可再生渗透能的高效捕获。

　　近日，中科院理化所仿生智能界面科学中心江雷、闻利平等系统地总结了基于纳流体的渗透能量转换技术：详细讲述了该领域的发展历史，比较了纳米流体通道膜相对于商业离子交换膜在结构和功能上的优点；介绍了两种典型的渗透能量转换装置，并从热力学分析了其能量转换过程以及电解质种类的影响；从有无表面可离子化基团的角度，讲述了材料在水中的若干种典型带电机制，并进一步介绍了可以实现高性能渗透能量转换的若干先进膜结构，即离子二极管膜、具有三维界面膜、插层膜、多层膜、离子电缆膜以及界面生长膜；阐述了可以有效降低膜阻抗，促进渗透能量转换的几种典型策略；介绍了与纳米流体膜相关的其他能量转换体系，即光电转换、液压电转换、热电转换和热渗透能量转换；反向电渗析膜堆由多层的阳离子/阴离子选择性膜以及浓缩/稀释的电解质溶液构成。研究人员进一步介绍了传统离子交换膜反向电渗析膜堆与其他技术的耦合联用，如脱盐、电化学水裂解、光电化学水裂解、微生物电解池和微生物燃料电池等，可能会为这些技术带来革命；最后，从基础和应用的角度分别对该领域进行了展望。
　　相关综述论文以Nanofluidics for osmotic energy conversion为题发表于Nature Reviews Materials上。


　　论文链接  ： https://doi.org/10.1038/s41578-021-00300-4

luzao

2022年3月9日，Nature增刊Nature Index遴选2015-2020年自然指数五强国家（美国、中国、德国、英国、日本）的五名杰出科学家代表，对他们的工作以“Game changers”为题进行了专题评述报导。中科院院士、中科院理化所江雷研究员作为中国代表入选。
　　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  

huatai

2022年5月26日，澳大利亚科学院公布新增22名院士名单和2名外籍院士名单，中国科学院理化技术研究所江雷研究员当选为2022年澳大利亚科学院外籍院士。澳大利亚科学院院士是澳大利亚最高学术荣誉之一，经过严格的评估程序后由科学院同行选举产生，以期表彰其在各自科学领域所做出的突破性研究。自1954年创立以来，澳大利亚科学院目前共选出34名外籍院士，其中中国人仅有三名。
　　江雷研究员毕业于吉林大学，2009年当选中国科学院院士，2012年当选第三世界科学院院士，2016年当选美国工程院外籍院士。主要学术贡献为通过学习自然，建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。

andan

12月16日，陈嘉庚科学奖基金会公布2022年度陈嘉庚科学奖获奖项目和陈嘉庚青年科学奖获奖人名单，中科院理化所江雷院士荣获2022年度陈嘉庚科学奖（化学科学奖）。
　　江雷院士获奖项目为《仿生超浸润界面材料体系》。在基础研究方面，从1998年开始，江雷研究员通过研究荷叶表面的超疏水性和动物角膜的超亲水性，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，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、蜘蛛丝和仙人掌表面的锥形微结构以及离子通道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，并拓展到不同压力和温度范围的各种液体体系，引领并推动了该领域在全球的发展。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）、国防领域（兵器自洁、高温抗粘附）、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。
　　 获奖人简介：
　　江雷，1965年3月生于吉林长春。1987年毕业于吉林大学物理系固体物理专业，1990年在该校化学系物理化学专业获硕士学位。1992-1994年作为中日联合培养的博士生在日本东京大学留学，回国获博士学位。1994-1996年在日本东京大学做博士后。1996-1999年在日本神奈川科学院任研究员。1999-2015年，中国科学院化学研究所研究员；2015年至今，中国科学院理化技术研究所研究员；2008-2019年，兼任北京航空航天大学化学学院院长。2009年当选中国科学院院士；2012年当选为第三世界科学院院士；2016年当选美国工程院外籍院士；2022年当选澳大利亚科学院外籍院士。
　　主要学术贡献为通过学习自然，建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。迄今发表SCI论文800余篇，总被引171000余次，H因子为193。担任国内外多个学术期刊的编委和顾问编委。获得奖项包括：2011年获得第三世界科学院化学奖；2013年获得何梁何利科学技术奖；2014年度中国科学院杰出科技成就奖；2014年作为中国大陆首位获奖人获得美国材料学会奖励“MRS Mid-Career Researcher Award”；2016年获联合国教科文组织纳米科学与纳米技术发展贡献奖；同年获得日经亚洲奖；2017年德国洪堡研究奖；2018年获得求是杰出科学家奖；纳米研究奖；2020年获ACS Nano Lectureship Award。