师法自然！江雷院士Nature代表作集锦

小奇

2020-12-07

亚里士多德曾说：大自然的每一个领域都是绝妙无伦的。人类自古以来都向大自然学习，研究鸟类，发明了飞机；学习人体，开发生物材料等等。学习大自然，发现大自然的奥秘，并能运用大自然为人类提供新认知和新工具。

今日，奇物论介绍的是国内仿生学界的领头人、中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国国家工程院外籍院士——江雷教授。

江雷教授目前担任北京航空航天大学化学与环境学院院长。主要从事交叉科学领域仿生智能界面材料的合成与制备的研究工作,主要涉及仿生特殊浸润性材料、仿生离子通道、仿生能源、仿生轻质高强等方面的研究。目前已在Nature, Nature Nanotechnology, Nature Materials, Chem. Soc. Rev., JACS, Adv. Mater.等国际顶刊发表数百篇研究论文。

于此，奇物论编辑部对江雷教授的代表性论文作简要介绍，供大家学习和交流。（如有表述不当，恳请指出）

首先介绍的第一篇代表作是，江雷教授在2002年发表在Advanced Materials上的论文，开发出一种人造超疏水表面，目前被引次数达3245次

水接触角（CA）大于150°的超疏水表面在基础研究和实际应用领域非常具有前景，在自然界中，这样子的现象广泛存在，如荷叶和稻叶。自然界的这些结果为构造人造超疏水表面和设计可控制的润湿性提供了指南。受自然启发，江雷等人制备了聚合物纳米纤维和不同图案的取向碳纳米管（ACNT）薄膜的超疏水表面。

Feng, L., et al.. (2002), Super‐Hydrophobic 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发表关于水黾的拒水腿的研究论文，被引次数达1869次

水黾，相信大家在池塘里都见过，它可以非常平稳地停留在水面上，而且毫不费力地在水面上快速移动，这一特征被认为是由于分泌的蜡造成的表面张力效应。

然而，针对这一自然现象，江雷等人在2004年的Nature上表明，事实并非如此，研究认为腿的特殊层次结构由于被大量带有细纳米槽的定向细小毛发覆盖着，使其在诱导这种耐水性方面更重要。该发现可能有助于设计小型水生设备和非润湿材料。

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

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

张爱玲曾写道：雨，像银灰色黏湿的蛛丝，织成一片轻柔的网，网住了整个秋的世界。这应该是文科生的浪漫。那么雨和蛛丝对于理科生而言有什么浪漫？——上Nature封面！

江雷教授等人从微纳米层次上揭示了蜘蛛丝集水“多协同效应”机制，并通过设计人造蜘蛛丝，实现了小尺度液滴的方向性驱动。这项工作可以为可从雾中收集淡水或在工业过程中过滤液体气溶胶的功能性表面设计提供依据。这也是北航的首篇Nature论文，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，同样是发表在Nature上的论文，他们研究了猪笼草表面的连续定向水输送。

食肉植物猪笼草捕获昆虫是因为昆虫其投手器官的湿边缘失足滑落而被猪笼草吞噬。北航大学江雷教授、张德远教授和陈华伟教授等人揭示了该现象，认为这是通过在湿边缘表面连续不断地定向输水来实现的，这是多尺度结构特征的结果，开创性地提出了无动力自润滑防粘新理念，对解决微创手术器械防粘技术难题具有重要参考价值。

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

咱们最后介绍一下江雷教授在Nature Reviews Materials上的代表性综述：自然启发的超浸润体系

超浸润性是一个具有数百年历史的概念，在过去的几十年中已被重新发现，这在很大程度上是由于人们对自然界中特殊浸润现象的机理有了新的认识。多尺度结构和表面化学成分的结合对于制造具有超浸润性的界面材料至关重要。

在本综述中，江雷教授等人详细介绍了其历史发展并总结了超浸润系统中各种组合的超浸润状态。还简要介绍了自然可湿性材料的设计原理。超浸润系统可以从2D表面扩展到0D纳米粒子，1D纤维和管状体以及3D集成材料。还讨论了新现象以及基于超浸润系统在化学反应和材料制造方面的优势，包括利用单个极端浸润状态或结合两个极端浸润状态的新兴应用。最后，还提供了对未来研究方向的看法。

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

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

个人简介：

江雷，无机化学家、纳米材料专家，北京航空航天大学化学与环境学院院长。2009年当选中国科学院院士；2012年当选发展中国家科学院院士；2016年当选为美国国家工程院外籍院士。

江雷教授主要在交叉科学领域从事仿生界面材料的合成与制备方面的研究，主要有以下几个方面的研究：

（1）通过向自然学习，研究多种生物体表面特殊浸润性，揭示了生物体表面超疏水性的形成机理，为相关仿生界面及智能材料的设计制备提供依据；

（2）仿生制备超疏水界面材料，并实现多功能化组合的超疏水表面，又同时将不同种类的特殊浸润性如：超疏油/超疏水（超双疏）、超亲油/超亲水（超双亲）、超疏油/超亲水、超疏水/超亲油组合，建立仿生超疏水界面材料体系；

（3）通过系统研究界面材料结构和特性规律，提出了"纳米界面材料的二元协同效应"，创造性地将仿生微纳米复合结构与外场响应性分子设计相结合，实现了在单一或多重外场控制下材料表面浸润性的可逆变化；

（4）通过将单一物性（浸润）的二元（亲/疏）设计理念推广到其它物性体系，提出了仿生智能多尺度界面材料的设计方案，为仿生界面材料体系的发展提供了新方法。