追索穿越界面的粒子
——記國(guó)家“千人計(jì)劃”特聘專(zhuān)家、吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授汪大洋

□ 祝傳海

專(zhuān)家簡(jiǎn)介：

汪大洋，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授。國(guó)際膠體界面科學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)者，英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC）。1998年在吉林大學(xué)化學(xué)系獲得高分子化學(xué)與物理專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，師從湯心頤、李鐵津、白玉白教授。1999年前往香港科技大學(xué)機(jī)械工程系David C.C.Lam教授研究組做博士后研究，1999年赴德國(guó)馬普膠體界面所Helmuth M?hwald教授領(lǐng)導(dǎo)的界面部工作，先在Frank Caruso博士的研究小組做博士后研究并于2000年獲得洪堡獎(jiǎng)學(xué)金。2003年7月起在界面部擔(dān)任研究組組長(zhǎng)。2010年—2015年在澳大利亞南澳大學(xué)Ian Wark研究所任物理化學(xué)終身研究教授，2015年7月起在墨爾本皇家理工大學(xué)任化工系終身教授。2016年獲聘中組部“千人計(jì)劃”專(zhuān)家，同年8月起在吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院任特聘教授。

其主要研究方向包括：水、氣、離子和粒子的界面行為，表面潤(rùn)濕和粘附，相轉(zhuǎn)移，粒子分散與聚集，界面相分離，界面催化，酶等生物材料的包埋，穿越生物界面的藥物傳送，環(huán)境治理和修復(fù)及廢物廢能資源再利用。截至目前已發(fā)表4個(gè)學(xué)術(shù)專(zhuān)著章節(jié)和130余篇高水平研究論文，其中30%以上發(fā)表在化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)雜志上（影響因子＞10），其中Angew.、Chem.、Int.、Ed.16篇，共被引用約6300次，H指數(shù)為45。

1978年，我國(guó)實(shí)施改革開(kāi)放政策，召開(kāi)全國(guó)科學(xué)大會(huì)，從此走上了經(jīng)濟(jì)騰飛、科技飛躍之路。40年間，我國(guó)科學(xué)事業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，自主核心技術(shù)越來(lái)越多，完成了從跟跑到并跑，甚至部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變。對(duì)于科技工作者來(lái)說(shuō)，能夠親身經(jīng)歷這一過(guò)程無(wú)疑是幸運(yùn)的，是激動(dòng)的，是驕傲的。今天，我國(guó)科技事業(yè)正處于歷史上最好的發(fā)展時(shí)期，沒(méi)有人可以預(yù)測(cè)下一個(gè)10年、20年，中國(guó)將取得怎樣的突破。因此，帶著親身參與祖國(guó)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)科技強(qiáng)國(guó)目標(biāo)添磚加瓦的深厚執(zhí)念，2016年，國(guó)際膠體界面科學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)者汪大洋放棄了墨爾本皇家理工大學(xué)工程院化工系終身教授職位，以“千人計(jì)劃”特聘專(zhuān)家的身份加入母校吉林大學(xué)任教。

結(jié)緣界面粒子 探尋科學(xué)奧秘

有詩(shī)云：“嶺外音書(shū)斷，經(jīng)冬復(fù)歷春，近鄉(xiāng)情更怯，不敢問(wèn)來(lái)人?！睍r(shí)隔18年，再次站在吉林大學(xué)的校園內(nèi)，看著來(lái)來(lái)往往、說(shuō)說(shuō)笑笑的學(xué)生，唏噓感慨之余，汪大洋不禁回想起自己的大學(xué)生活。

1989年，年輕的汪大洋告別了父母親友，背起行囊離開(kāi)了老家遼寧，前往吉林大學(xué)化學(xué)系學(xué)習(xí)高分子材料。讀博時(shí)，由于導(dǎo)師的身體欠佳，他被轉(zhuǎn)到了一個(gè)做高分子化學(xué)與物理研究的課題組，從材料學(xué)的角度展開(kāi)了探索。當(dāng)時(shí)的他對(duì)于以后要從事的研究還沒(méi)有一個(gè)明確的規(guī)劃。

讀萬(wàn)卷書(shū)行萬(wàn)里路，對(duì)汪大洋來(lái)說(shuō)，豐富的閱歷是一筆寶貴的人生財(cái)富。在吉林大學(xué)夯實(shí)基礎(chǔ)后，他的視野和腳步開(kāi)始向外拓展。博士畢業(yè)以后，他獲得德國(guó)洪堡基金的資助，前往德國(guó)馬普膠體界面所界面部，在Helmuth M?hwald教授的界面部做博士后研究?！拔曳浅８屑の耶?dāng)時(shí)的導(dǎo)師M?hwald教授，是他幫助我從一個(gè)初出茅廬、沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的年輕人，逐漸變成了一名明確自己的研究方向，并且有能力為之不斷追尋的科研工作者?！睍r(shí)隔多年，回憶起導(dǎo)師，汪大洋依然難掩感激之情。

最初，汪大洋更多的是從事材料學(xué)的研究，測(cè)試材料的相關(guān)性能。而每當(dāng)完成一項(xiàng)測(cè)試之后，他們總會(huì)創(chuàng)作一個(gè)模型去解釋自己的研究成果?；蛟S是因?yàn)槟贻p，當(dāng)時(shí)汪大洋和同事們總是嘗試用一些很復(fù)雜、高端的模型去解釋數(shù)據(jù)。有一次，M?hwald教授看到了他們的做法，老先生先是夸獎(jiǎng)了他們的模型，稱(chēng)其非常漂亮，隨后問(wèn)他們能否制造出更簡(jiǎn)單的模型，以更簡(jiǎn)單的機(jī)理來(lái)解釋。就這樣，汪大洋和同事漸漸放棄了對(duì)復(fù)雜模型的追尋，轉(zhuǎn)而努力以更為簡(jiǎn)單易懂的方式去解釋成果。

在搏擊較量中，出招過(guò)多就是多余無(wú)效的招數(shù)太多，有效的招數(shù)少；醫(yī)生開(kāi)的藥方越多，就越是把握不好方法，才用那些判斷不準(zhǔn)的藥來(lái)試。正所謂大道至簡(jiǎn)，把復(fù)雜冗繁的表象層層剝離之后就是事物最本質(zhì)的大道理。這也是物理化學(xué)所追求的本質(zhì)，汪大洋漸漸開(kāi)始明白。

2003年，汪大洋被任命為馬普膠體界面所界面部研究組組長(zhǎng)，這一當(dāng)就是7年。由于馬普研究所的教授都是政府直接下發(fā)科研經(jīng)費(fèi)，且原則上不允許申請(qǐng)專(zhuān)利，所以他們沒(méi)有經(jīng)費(fèi)壓力，也沒(méi)有科研轉(zhuǎn)化需求，只專(zhuān)注基礎(chǔ)科研的突破。這7年的心無(wú)旁騖給了汪大洋沉浸科學(xué)海洋的機(jī)會(huì)，讓他學(xué)會(huì)從物理化學(xué)的角度去思考問(wèn)題。

在膠體粒子領(lǐng)域，小分子、大分子或納米粒子會(huì)在非共價(jià)力的作用下組合成規(guī)則游戲的物體，這一過(guò)程稱(chēng)為“自組裝”。這里的非共價(jià)力包括范德華力、氫鍵、靜電作用、疏水作用、偶極相互作用等，非人手或機(jī)械可以操控，而需要人們對(duì)于物理化學(xué)的原理加以理解和運(yùn)用。汪大洋曾經(jīng)與導(dǎo)師討論，有沒(méi)有可能介入膠體粒子的非共價(jià)力，改變其自組裝方式，讓粒子像原子那樣組裝成各種各樣結(jié)構(gòu)的分子。他不是光提出問(wèn)題不解決的人，為了達(dá)成這個(gè)看似不可實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想，他帶領(lǐng)組員們發(fā)散思維，最終將分子模擬和超分子化學(xué)概念成功引入到膠體粒子的定向自組裝，創(chuàng)新性地提出“超粒子”的概念。他首次實(shí)現(xiàn)了帶電粒子靜電作用調(diào)節(jié)下的各向異性聚集，并且提出了相關(guān)相互作用模型理論。

團(tuán)隊(duì)部分成員合影

瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿 勇攀科研高峰

要探求微觀(guān)世界的各種分子、離子、粒子間的相互作用行為，就離不開(kāi)對(duì)幾種界面的研究。學(xué)術(shù)界通常把不同形態(tài)或不同種類(lèi)的兩種物質(zhì)之間的交界面叫作界面。3種基本形態(tài)的物體之間存在著以下幾種界面組合：固—固、固—液、固—?dú)?、液—液、液—?dú)?。按照?xí)慣，他們將固—?dú)狻⒁骸獨(dú)饨缑娼凶鞴腆w或液體的表面。

進(jìn)入汪大洋的研究世界，你會(huì)發(fā)現(xiàn)那是一個(gè)充滿(mǎn)神奇魅力，又對(duì)國(guó)家發(fā)展非常重要的基礎(chǔ)化學(xué)領(lǐng)域。而他的研究方向，也一直是圍繞國(guó)際前沿和社會(huì)需求，在主線(xiàn)不變的情況下不斷進(jìn)行調(diào)整的。

自2010年赴南澳大學(xué)伊恩沃克研究所任教授以來(lái)，汪大洋將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了固—液界面的浸潤(rùn)?！敖?rùn)”其實(shí)很好理解，就是液體在與固體接觸時(shí)，沿固體表面擴(kuò)展而相互附著。例如把一塊玻璃放進(jìn)水中，取出時(shí)上面會(huì)有水滴附著。從事浸潤(rùn)研究的人往往有很明顯的特點(diǎn)：偏物理研究的人只關(guān)心浸潤(rùn)表面的性質(zhì)，如親水或疏水，進(jìn)而在這個(gè)基礎(chǔ)上研究親水的效率、速度等，并不會(huì)關(guān)心造成親水或疏水的分子水平起源。但是汪大洋不是這樣，他在國(guó)際上較早地從分子角度去分析浸潤(rùn)表面的親水性和疏水性。他深信，只要建立出分子模型，徹底弄清其中的機(jī)理，就能掙脫材料的限制，哪怕用簡(jiǎn)單的材料都能做出具有優(yōu)異親水性的涂層。

經(jīng)過(guò)不懈的探尋，汪大洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了粒子“前所未有”的界面行為，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了納米粒子在油水界面雙向可控穿越，為建立可克服生物屏障的定向納米載藥系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。他在深入理解水分子局部結(jié)構(gòu)和屬性的基礎(chǔ)上，首次揭示了溫度調(diào)節(jié)的水分子獨(dú)特的溶劑化過(guò)程，重新定義了固體表面的親水性和疏水性，為油/水分離和去乳化膜或?yàn)V器的技術(shù)提供了全新的思路；利用納米粒子穩(wěn)定乳液和界面溶劑相互作用原理，實(shí)現(xiàn)了多種生物催化酶、納米粒子和藥物的有效包埋，在體內(nèi)和體外生物檢測(cè)、疾病治療和生物催化等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

南澳大學(xué)一直以來(lái)都與工業(yè)界聯(lián)系密切，身處其中，汪大洋也不免受其影響，開(kāi)始思考自己的研究成果如何實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。在工業(yè)實(shí)踐中，要讓一個(gè)表面具有親水性并不難，但讓其長(zhǎng)期維持親水性卻很難，因?yàn)樽匀唤鐚?shí)際上不允許親水的表面存在。根據(jù)已經(jīng)建立的分子模型，汪大洋找到了具有這方面功能的高分子，發(fā)現(xiàn)只需借助簡(jiǎn)單的浸涂工藝將聚電解質(zhì)多層膜和纖維素納米纖絲（CNF）單層膜先后涂覆在固體表面，CNF涂層表面上各種油性污染物就可以很容易地被水清洗干凈。這一發(fā)現(xiàn)為簡(jiǎn)單、快速，大面積地制備自清潔表面涂層提供了全新思路。

由于親水材料具有高的表面能，其表面的極性基團(tuán)在空氣中會(huì)盡可能向內(nèi)翻轉(zhuǎn)重構(gòu)進(jìn)而降低表面能。也是由于其表面能高，在空氣中親水表面可以被油完全浸潤(rùn)，即空氣中超親油。這就造成親水表面如聚丙烯酸等材料表面一旦在空氣中被油污染，很難被水清洗干凈。但CNF是個(gè)特例。盡管親水的CNF表面在空氣中也可以被油完全浸潤(rùn)，但一旦將被油污染的CNF表面浸入水中，油膜就會(huì)迅速地收縮成油滴，完全從CNF表面分離。表面敏感的掠角紅外光譜分析證明CNF涂層表面所表現(xiàn)出的自清潔功能可以與其各向同性的分子構(gòu)型密切關(guān)聯(lián)。大量的羧基和羥基致密、均一、對(duì)稱(chēng)地鍵鏈在每根CNF纖絲外部殼層。故此，不管CNF纖絲是如何伴隨外界環(huán)境變化而相應(yīng)地在空間翻轉(zhuǎn)重構(gòu)，其與外界環(huán)境直接接觸的極性基團(tuán)數(shù)量保持恒定，從而最大限度地降低了表面重構(gòu)對(duì)CNF涂層表面的親水性的影響。這一各向同性的分子構(gòu)型保證了CNF涂層表面在任何環(huán)境中可以被水高效，穩(wěn)定地浸潤(rùn)，不管該表面受到怎樣的破壞，只要一接觸到水，就會(huì)馬上恢復(fù)其親水性。

進(jìn)一步地，汪大洋帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)借助簡(jiǎn)單的浸涂工藝將聚電解質(zhì)多層膜和纖維素納米纖絲單層膜先后涂覆在不銹鋼網(wǎng)表面，從而制備出高效的油水分離濾膜。因?yàn)镃NF涂層表面具有優(yōu)異的自清潔功能，無(wú)論是高粘度的機(jī)油還是普通的烷烴甚至極性較大，微溶于水的戊醇和丁醇都可以利用CNF涂覆的濾膜直接實(shí)現(xiàn)與水有效分離。此外，CNF涂覆的濾膜不僅可以用于過(guò)濾，還可以用來(lái)?yè)迫∷嫔系母∮汀９蚀?，CNF涂覆的濾膜克服了目前基于表面親水性制備的油水分離濾膜在實(shí)際應(yīng)用中的諸多技術(shù)瓶頸，特別是避免操作的復(fù)雜性和化學(xué)技術(shù)的依賴(lài)性，有望在清除海上油污染等實(shí)際油水分離領(lǐng)域得到廣泛推廣。

對(duì)于汪大洋來(lái)說(shuō)，這些成果算不上是多大的成就，充其量只是一個(gè)很小的進(jìn)步，但是后來(lái)卻有大公司試圖來(lái)購(gòu)買(mǎi)專(zhuān)利。這讓他意識(shí)到，很多時(shí)候，基礎(chǔ)科研上邁出的一小步會(huì)在很大程度上影響到工業(yè)實(shí)踐；當(dāng)工業(yè)實(shí)踐中遇到真正無(wú)法解決的技術(shù)性難題時(shí)，能夠依靠的絕不是自身的優(yōu)化、整合，只會(huì)是基礎(chǔ)科研。

如果說(shuō)在馬普膠體界面所界面部的7年研究組組長(zhǎng)經(jīng)歷讓汪大洋學(xué)會(huì)從物理化學(xué)的角度去看待研究，那么在南澳大學(xué)的5年就讓他真正找到了感興趣的研究方向，同時(shí)更理解如何去與工業(yè)界開(kāi)展合作，如何讓自己的研究更快更好地造福社會(huì)。

寄望滿(mǎn)園桃李 引領(lǐng)新生力量

回國(guó)以后，汪大洋選擇回到母校吉林大學(xué)任職?；瘜W(xué)學(xué)院注重學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，提倡德才兼?zhèn)?，?shù)立勤奮好學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)創(chuàng)新的優(yōu)良學(xué)風(fēng)來(lái)激勵(lì)學(xué)生奮進(jìn)。當(dāng)他選擇回到這個(gè)夢(mèng)起的地方，與吉林大學(xué)一起并肩開(kāi)拓新的領(lǐng)地時(shí)，心中早已充滿(mǎn)了希望。兩年中，他最驕傲的就是手下帶著的學(xué)生逐漸開(kāi)始走向正軌?！拔覐氖碌难芯款I(lǐng)域雖然屬于化學(xué)系，但對(duì)很多學(xué)化學(xué)的學(xué)生來(lái)說(shuō)太偏物理，所以學(xué)生們上手是很困難的?！蓖舸笱蠼忉尩?，“不過(guò)我很幸運(yùn)，我的學(xué)生們都很努力，慢慢地會(huì)有很多新的結(jié)果出來(lái)?！?/p>

現(xiàn)在，汪大洋的課題組有11人，除了他自己，還有5個(gè)博士生，3個(gè)碩士生，再加2個(gè)博士后。他很滿(mǎn)意現(xiàn)在的團(tuán)隊(duì)規(guī)模，因?yàn)榭梢灾苯佣咝У睾蛯W(xué)生面對(duì)面交流。他非常感激在科研道路上給予自己極大幫助的每一位導(dǎo)師，因此也希望能夠把前輩導(dǎo)師對(duì)自己的人生和科學(xué)的影響潛移默化地傳遞給自己的學(xué)生?！拔矣X(jué)得對(duì)于研究生來(lái)說(shuō)，無(wú)論是碩士生還是博士生，相比起從我這里學(xué)習(xí)知識(shí)，他們更應(yīng)該從我看問(wèn)題的方式、對(duì)事物的理解中得到啟示。因?yàn)檫@才是真正重要的，而不僅僅是學(xué)習(xí)一星半點(diǎn)的知識(shí)，發(fā)一兩篇文章?！蓖舸笱笳f(shuō)。

一直以來(lái)，汪大洋的工作都側(cè)重于揭示與支撐人類(lèi)健康、復(fù)合材料、建筑和自然環(huán)境相關(guān)的分子相互作用基本原理及其應(yīng)用研究，探求微觀(guān)世界的各種分子、離子、粒子間的相互作用行為演化為紛繁復(fù)雜的宏觀(guān)物理化學(xué)現(xiàn)象的途徑、規(guī)律和模型。他尤其希望能夠揭示在我們所賴(lài)以生存的非手性自然環(huán)境中，手性分子是如何被誘導(dǎo)、拆分和選擇性地以單一手性構(gòu)象存在的物理化學(xué)基本原理。

為此，他將課題組今后的工作分為了幾大方向。其一，利用納米粒子作為分子模型來(lái)研究體相和界面水介質(zhì)中，水、氣和分子之間的相互作用，揭示主導(dǎo)粒子在水、有機(jī)或氣相介質(zhì)中分散的基本規(guī)律，理解粒子在體相和界面水介質(zhì)中彼此是如何相互作用，以及他們與界面是如何相互作用的。以此建立DNA和蛋白質(zhì)在非手性的水環(huán)境中選擇性自組織成獨(dú)特手性結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)基礎(chǔ)，并將相關(guān)研究應(yīng)用到以下兩個(gè)方面：開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型藥物輸送策略，以跨越體內(nèi)的生物屏障（如腦血屏障），實(shí)現(xiàn)藥物的高效輸送；建立新型固定酶、細(xì)菌和酵母的方法并用作生物催化，為生物燃料生產(chǎn)和環(huán)境修復(fù)提供新的策略。

其二，在深入理解水分子局部結(jié)構(gòu)和屬性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步揭示“固體表面的親水性和疏水性”的物理化學(xué)本質(zhì)和分子相互作用基礎(chǔ)，理解表面與界面科學(xué)領(lǐng)域中這一關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。應(yīng)用該研究成果開(kāi)發(fā)高效、廉價(jià)和可規(guī)模生產(chǎn)的濾膜或?yàn)V器，用于油/水分離和去乳化，解決石油回收、公用設(shè)施和工業(yè)廢水清理和油污補(bǔ)救的關(guān)鍵難題。

其三，研究水、離子和分子通過(guò)納米尺寸通道的界面性質(zhì)，豐富人們對(duì)細(xì)胞體系離子通道功能相關(guān)的知識(shí)；并通過(guò)仿生的方法構(gòu)建具有特殊微觀(guān)結(jié)構(gòu)和界面性質(zhì)的功能材料，為海水淡化膜新技術(shù)的發(fā)展提供開(kāi)創(chuàng)性的靈感和方法。

最后，基于分子相互作用基本原理，創(chuàng)建簡(jiǎn)單而精妙的方法，發(fā)展固液氣臨界條件下智能處理、回收和再利用市政和工業(yè)固體廢物、廢水和空氣污染物的方法，為工業(yè)、仿生工程和制造等方面的產(chǎn)出帶來(lái)指數(shù)增長(zhǎng)，減少能源消耗及其對(duì)環(huán)境的不利影響，解決當(dāng)今資源日益缺乏所帶來(lái)的社會(huì)和工業(yè)重大挑戰(zhàn)，為建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的未來(lái)開(kāi)辟新的途徑。

汪大洋對(duì)自己這4個(gè)方向工作的規(guī)劃很有條理，伴隨著學(xué)生們科研能力的提升，他開(kāi)始將更多的期待寄托在學(xué)生身上。作為一名高校教師，汪大洋對(duì)自己的身份極具認(rèn)同感。他認(rèn)為，高校教師的首要目的就是培養(yǎng)學(xué)生，在做任何事情之前，都應(yīng)該首先想到這樣做對(duì)學(xué)生有沒(méi)有好處？因?yàn)閻?ài)之深所以責(zé)之切，他平時(shí)對(duì)學(xué)生的要求很?chē)?yán)，總是希望他們能夠挑戰(zhàn)自己，做到最好。他吝于當(dāng)面對(duì)學(xué)生表達(dá)期盼，倒是常常開(kāi)玩笑說(shuō)：“我不認(rèn)為自己能得諾貝爾獎(jiǎng)，但希望我的學(xué)生能得這樣的獎(jiǎng)。”

對(duì)于汪大洋這個(gè)“嚴(yán)師”來(lái)說(shuō)，多少希冀與厚望都隱藏在這句話(huà)之中。畢竟，祖國(guó)下一個(gè)10年、20年的發(fā)展需要注入新生血液，離不開(kāi)下一輩學(xué)生的共同努力。雖然多年置身海外，但似乎總有一根線(xiàn)在汪大洋和祖國(guó)之間牽著，他愿意將自己多年所學(xué)、所得反哺給母校，培養(yǎng)出下一代新人。艱難困苦，玉汝于成。面向未來(lái)，汪大洋和團(tuán)隊(duì)會(huì)攜手向前，在祖國(guó)的大地上逐一實(shí)現(xiàn)心中的科研夢(mèng)想。

指導(dǎo)學(xué)生