匯總：江雷院士和他的團隊的研究成果精選

人物簡介：

主要從事仿生功能界面材料的制備及物理化學性質的研究，揭示了自然界中具有特殊浸潤性表面的結構與性能的關系，提出了“二元協同納米界面材料”設計體系。在超雙親/超雙疏功能材料的制備、表征和性質研究等方面，發明了模板法、相分離法、自組裝法、電紡絲法等多種有實用價值的超疏水性界面材料的制備方法。制備出多種具有特殊功能的仿生超疏水界面材料。

為方便大家快速預覽近年來江雷院士和他的研究團隊的科研成就，小編匯總了在材料人上宣傳過的成果：

研究成果：

論文：高強Janus三維多孔膜成為“藍色能源”的高效捕手

中科院理化所江雷研究員組及周亞紅博士在離子鹽差發電方面開展了系列工作，今日與吉林大學化學學院特塑中心的姜振華教授團隊合作。通過分子功能性精確設計，制備了一系列表面電荷極性/電荷密度可調的功能化聚芳醚的離子型聚合物。基于此，作者制備了系列Janus三維納米多孔膜，并將其利用于濃差發電，做“藍色能源”的納米轉化器。通過混合模擬海水和河水濃度的離子溶液，實現了2.66 W/m²的功率密度，并在更高濃差下實現了5.1 W/m²的高功率密度。通過多膜串聯，可以驅動計算器正常工作。這一成果以題為“Unique Ion-Rectification in Hypersaline Environment: A High-Performance and Sustainable Power Generator System”在線發表于Science Advances。(DOI: 10.1126/sciadv.aau1665?)。第一作者是吉林大學在讀博士朱軒伯。

該工作通過分子控制實現了對三維多孔膜孔隙率及電荷密度的調控，多孔膜的孔徑基本維持一致，并且通過簡單的方法實現系列Janus膜的大面積制備。該系列膜都表現出良好的離子選擇和整流性能，高的電荷密度打破了濃度對于整流的限制，避免了內部損耗，使得Janus膜在能差發電器件方面有非常不錯的表現。基于聚芳醚本身穩定的分子結構，Janus膜也展現出優異的穩定性。通過多膜串聯，可以驅動計算器正常工作。

鏈接：http://advances.sciencemag.org/content/4/10/eaau1665

論文：“量子限域超流體”概念

中科院理化所的江雷院士將生物孔道中離子和分子以單鏈的量子方式快速傳輸定義為“量子限域超流體”，并指出限域孔道內離子和分子的有序超流為“量子隧穿流體效應”，該“隧穿距離”與量子限域超流體的周期相一致。結合該課題組近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 5814-5818），作者發現仿生體系也存在量子限域超流現象，例如人工離子通道和水通道內物質的快速傳輸（每秒~10⁶個離子）。最后，作者在展望中指出，通過把量子限域超流體概念引入化學領域, 將引發出精準化學合成，即量子有機、無機、高分子反應等。而引入到生物學領域，將產生量子超流的生物化學、生物物理、生物信息學以及生物醫學等。在此基礎上，也將產生其他的新科學和新技術。文章以“Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial”為題發表在《中國科學材料》（SCIENCE CHINA Materials）上。

文獻鏈接：Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial（Sci. China Mater.,2018,DOI:| 10.1007/s40843-018-9289-2 ）

論文：用于高性能場效應晶體管的π-共軛聚合物/石墨烯復合材料的溶液制備法

來自中國科學院理化技術研究所的江雷院士，吳雨辰博士以及北京師范大學的朱嘉副教授（共同通訊作者）等人在近期的Advanced Materials期刊上發表了一篇題為“Solution Adsorption Formation of a π -Conjugated Polymer/Graphene Composite for High-Performance Field-Effect Transistors”的文章。文章主要介紹了一種構建π-共軛聚合物/石墨烯復合材料的方法，這種方法可以避開現有的限制并將材料圖案化為一維陣列。基于π共軛體系，可以減小石墨烯和聚合物之間π - π堆積的距離，從而提高電荷傳輸性能。而由于摻入了石墨烯，復合材料顯示出了熱穩定性。一般認為，π-共軛復合物的構建表明通過設計制造大面積、低成本、高效率的功能器件將有機分子和二維材料整合到微結構陣列中是可行的。

文獻鏈接：Solution Adsorption Formation of a π -Conjugated Polymer/Graphene Composite for High-Performance Field-Effect Transistors.（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201705377）

論文：宏觀形狀調控實現超疏水PMMA表面高效氣泡黏附

江雷院士(通訊作者)和于存明博士（通訊作者）等人在Adv. Funct. Mater.上以題為 “Morphology-Control Strategy of the Superhydrophobic Poly(Methyl Methacrylate) Surface for Effcient Bubble Adhesion and Wastewater Remediation”發表了不同形狀的超疏水聚甲基丙烯酸甲酯片對于氣泡黏附和在水環境中負載臭氧降解甲基藍的研究成果。由于臭氧本身在水中的溶解度差，不利于臭氧對水體的凈化，本文利用微氣泡在超疏水表面的黏附作用，實現了氣泡在水相環境中的長時間停留，并在有機染料污染物的降解方面得到了較好的應用。

文獻鏈接: Morphology-Control Strategy of the Superhydrophobic Poly(Methyl Methacrylate) Surface for Efficient Bubble Adhesion and Wastewater Remediation?(Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702020)

論文：仿生荷葉-超親水表面與超疏水表面結合的Janus界面材料

天津大學曹墨源副教授和北京航空航天大學及中科院理化所江雷院士（共同通訊作者）等人在期刊Advanced Functional Materials上以“Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf”為題報道了一種非對稱的具有兩面超浸潤性的界面材料。作者學習荷葉，制備出上表面超疏水下表面超親水的銅片，作者稱之為“Janus銅片”（即兩面神銅片）。這種Janus銅片能夠穩定的“固定”在空氣/水界面上，表現出穩定的界面漂浮性。與同樣能夠漂浮的超疏水基片相比，Janus銅片不僅能夠漂浮，甚至能夠如固定一般附著在空氣/水界面上；同時在諸如己烷-水和CCl₄-水等多相界面上表現出相似的性質。Janus銅片具有顯著增強的穩定性和抗旋轉特性，能夠像船只一般具有水面航行能力，即使是在湍急的水流中；也能抵御強風，甚至征服“瀑布”。這一發現為Janus界面材料找到了新的突破，也擴展了具有超浸潤性的兩性材料的應用范圍。

文獻鏈接：Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf(Adv. Funct. Mater.,2017,DOI:10.1002/adfm.201701466)

論文：超浸潤膜實現離子液體/水的有效分離

中科院理化技術研究所江雷院士、劉洪亮博士（共同通訊）在Advanced Functional Materials上發表題為“Membrane-Based Strategy for Efficient Ionic Liquids/Water Separation Assisted by Superwettability”的文章。研究人員基于本征浸潤閾值理論，通過對材料表面自由能的調控，制備了一種疏水且超親離子液體（C4MImPF₆）的多孔膜來實現重力驅動下非互溶IL/水混合液的高效分離。對于膜分離技術而言，最重要的兩個指標為截留選擇性和分離流速：以600目不銹鋼篩網為基底的多孔膜為例，膜對混合溶液的分離效率大于98%，離子液體的滲透流速超過1000Lm^-2h^-1。

文獻鏈接：Membrane-Based Strategy for Efficient Ionic Liquids/Water Separation Assisted by Superwettability?（Advanced Functional Materials，2017，Doi:?10.1002/adfm.201606544）

論文：基于DNA的仿生光控離子傳輸通道

中科院理化技術研究所&北航的江雷院士，理化所的聞利平研究員和Kong XiangYu（共同通訊作者）等人利用含偶氮苯的DNA（Azo-DNA）束的自組裝，研發了一種可用于控制離子傳輸的光控納米通道。在可見光和紫外光的分別作用下，偶氮苯發生了構象間的相互轉化，實現了DNA的收縮和放松狀態的光控轉換，從而實現通道的打開與關閉，因此Azo-DNA可以被用作制備光控閥門的控制單元。Azo-DNA通道可以在可見光（450nm）的照射下打開，然后在紫外線（365nm）的照射下關閉。通過對熒光團以及磺基-羅丹明B分子的釋放實驗，驗證了這種DNA納米通道具備光控分子傳輸性能。除了響應時間短、具有可逆性之外，Azo-DNA納米通道系統還具有良好的生物相容性和多功能設計，可以被用在光控藥物釋放、光信息存儲和邏輯網絡等方面。

文獻鏈接：Light-Controlled Ion Transport through Biomimetic DNA-Based?Channels（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201609161）

論文：基于特殊可浸潤聚四氟乙烯膜實現化學反應體系的原位分離

中國科學院化學研究所江雷院士、田野副研究員（共同通訊作者）等人在Advanced Functional Materials期刊上發表了題為“In Situ Separation of Chemical Reaction Systems Based on a Special Wettable PTFE Membrane”的文章。文中，研究人員通過使用具有特殊潤濕性的無涂層PTFE微孔膜提供具有大分離通量和高產品純度的化學反應體系的連續原位分離，這種膜在空氣中具有高疏水性/親油性、在水下具有超高親水性，且在惡劣環境也具有良好耐久性，首次成功實現了產物邊合成邊分離的過程。

文獻鏈接：In Situ Separation of Chemical Reaction Systems Based on a Special Wettable PTFE Membrane?（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703970）

論文：“Slippery”形狀梯度表面用于高壓環境下的氣泡的定向及連續輸運

北京航空航天大學江雷院士團隊的于存明博士研究小組與天津大學的曹墨源副研究員課題組合作，通過激光切割、超疏水納米粒子修飾、氟化液浸潤等方法制備了具有形狀梯度的Slippery表面，實現了高壓環境下氣泡的定向及連續輸運。相關研究論文近期發表于ACS Nano期刊上，第一作者為北京航空航天大學化學學院本科生張春暉。

文獻鏈接：Bioinspired Pressure-Tolerant Asymmetric Slippery Surface for Continuous Self-Transport of Gas Bubbles in Aqueous Environment.（ACS Nano，2018，DOI: 10.1021/acsnano.8b00192）

論文：仿生合成多肽門納米薄膜用于靈活的分子運輸

中國科學院理化技術研究所、中國科學院大學江雷院士、聞利平研究員與延安大學張玉琦教授、中國科學院理化技術研究所Kong XiangYu（共同通訊作者）等人在可控的分子運輸方面取得進展。通過將肽鏈CGGC引入多孔生物膜中，利用肽鏈CGGC在二硫蘇糖醇（DTT）或氧氣作用下發生構型轉變來實現孔道的開合，從而構建了可控的分子運輸系統。此項研究成果以“Biomimetic Peptide-Gated Nanoporous Membrane for On-Demand Molecule Transport”為題發表在Angewandte Chemie International Edition上。

文獻鏈接：Biomimetic Peptide-Gated Nanoporous Membrane for On-Demand Molecule Transport（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201708695）

論文：潤滑液灌注各向異性多孔還原氧化石墨烯膜——導電液滴電驅動控制

北航江雷院士課題組衡利蘋（副研究員）在Adv. Funct. Mater.?發文，題為“Lubricant-Infused Anisotropic Porous Surface Design of?Reduced Graphene Oxide Toward Electrically Driven Smart?Control of Conductive Droplets’?Motion”，作者以導電多孔還原石墨烯（rGO）膜為基體灌注不同的潤滑體（導電和非導電）制備了兩種新型的各向異性膜材料，用于研究其各向異性自清潔能力及材料表面液滴運動電響應的影響因素和機制，填補了該方面機理研究的空白。

文獻鏈接：Lubricant-Infused Anisotropic Porous Surface Design of?Reduced Graphene Oxide Toward Electrically Driven Smart?Control of Conductive Droplets’ Motion（Adv. Funct. Mater. 2017, ?DOI: 10.1002/adfm.201606199）

論文：受蚊子嗅覺神經元啟發的一種由CO2驅動的人造離子開關

2016年10月27日，Advanced Materials網站在線發表了題為"An Artificial CO₂-Driven Ionic Gate Inspired by Olfactory Sensory Neurons in Mosquitoes"的文章。該文章是由中科院理化所江雷院士研究團隊的聞利平研究員和西北工業大學的田威教授合作完成。文章第一作者是西北工業大學的尚筱萌以及中科院化學所的謝柑華二位同學。在這篇快訊（communication）文章中，研究人員報道了一種受嗅覺神經元啟發，利用CO₂驅動的離子開關，它是通過結合單錐形納米通道與對CO₂響應的分子APTE來實現的。

本文中研究人員報道了一種受嗅覺神經元啟發，利用CO₂驅動的離子開關，它是通過對單錐形納米通道修飾對CO₂響應的分子APTE來實現的。CO₂溶解在水中形成碳酸根離子，通過選擇性地與APTE結合，來觸發和調控離子開關。通過調節納米通道內壁的表面電荷和潤濕性，這種離子開關可以精確控制離子運輸，具有高達1250的超高開關比。

文獻鏈接：An Artificial CO₂-Driven Ionic Gate Inspired by Olfactory Sensory Neurons in Mosquitoes (Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201603884)

論文：完全潤濕液體在仿生表面的單向運輸

受到液體在翼狀豬籠草開口部表面自發單向運輸機制的啟發，中科院理化技術研究所李儲鑫和李寧（共同第一作者），董智超和北京航空航天大學的陳華偉（共同通訊作者）等人在江雷院士指導下利用高分辨立體光刻技術制備了具有不同表面能的微空腔陣列來模擬豬籠草開口部的表面形貌。這種表面在沒有能量輸入的情況下可以實現單向的液體運輸，具有不同表面張力和粘度的液體都可以在上面單向運輸。作者還研究了單向運輸的機理，并且利用這種機制成功使液體在螺旋中向上流動。

文獻鏈接：Uni-Directional Transportation on Peristome-Mimetic Surfaces for Completely Wetting Liquids（Angew. Chem. Int. Edit.，2016，DOI:10.1002/anie.201607514）

發表的綜述:

綜述：納米通道浸潤性與應用

中科院理化所江雷院士（通訊作者）和張錫奇副研究員（第一作者）在Advanced Materials上發表了題為“Wettability and Applications of Nanochannels”的綜述。在該綜述中，首先介紹了“量子限域超流體”的概念，其可以用來理解納米通道中超快物質傳輸和非連續流體行為。然后，作者分別系統地總結了一維、二維和三維納米通道的浸潤性研究，并從分子模擬、液體浸潤性、外部刺激調控浸潤性、熔體和液體浸潤限域策略、液體傳輸和限域納米材料制備等方面對納米通道浸潤性與應用進行論述。作者在綜述的最后展望中指出，“量子限域超流體”概念能夠為解釋納米通道中非連續流體行為提供新的思路，并將引發一場量子限域化學的革命。

文獻鏈接：Wettability and Applications of Nanochannels ?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804508)

綜述：超潤濕系統

北京航空航天大學的江雷院士（通訊作者）等人在Nature Reviews Materials上發表了題為“Nature-inspired superwettability systems”的綜述文章。在本文中，作者詳細介紹了超潤濕系統的歷史發展，并總結了超潤濕系統中各種組合的超潤濕狀態，還介紹了超潤濕材料的自然設計原理。超潤濕系統可以從2D表面擴展到0D納米顆粒，1D纖維和通道以及3D集成材料。同時討論了新的現象和超潤濕性系統對于化學反應和材料制造的優勢，包括利用單一極端潤濕狀態或組合和兩種極端潤濕狀態的新興應用。最后，提供了未來的研究方向。

文獻鏈接：Nature-inspired superwettability systems（Nat.Rev.Mater.,2017,DOI：10.1038/natrevmats.2017.36）

往期匯總回顧：

梳理：看一看近年來王中林院士和他的團隊有哪些研究進展呢？

研究進展匯總：黃維院士與他的研究團隊

匯總：一起回顧崔屹和他的團隊的研究發展歷程

研究進展匯總：走進麥立強團隊

鈣鈦礦太陽能電池圖鑒——2018年度ESI高被引論文中的鈣鈦礦太陽能電池匯總

本文由材料人編輯部編輯。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.