水既是重大民生關(guān)切，更是未來科學(xué)前沿

江世亮

這個(gè)世界上或許很少有一樣物質(zhì)像水那樣，與人類的關(guān)系如此緊密，但迄今人們對它的本質(zhì)的了解仍極其有限；自然科學(xué)的門類已經(jīng)發(fā)展到數(shù)以千計(jì)，與水有關(guān)的應(yīng)用研究分支也難記其數(shù)，但以水為研究對象的學(xué)科——水科學(xué)卻遲遲未能確立。盡管如此，在世界、在中國一直有一批牽掛“水”并傾力推動水科學(xué)研究的學(xué)者。在這些鐘情水研究的學(xué)者中，中科院上海高等研究院、中科院上海應(yīng)用物理研究所的胡鈞研究員應(yīng)是最執(zhí)著的一位。得悉他剛從北京參加完楊國楨院士主持的中國水科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究研討會回到上海，本刊“大家·科技前沿”欄目專訪了胡鈞，請他介紹水科學(xué)研究的近況及其價(jià)值。

胡鈞中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所研究員

什么是“水科學(xué)”？其主要研究的是什么？

回答這個(gè)問題，我想引用前不久在北京中科院物理所召開的水科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究研討會會議紀(jì)要上一段話：“水是自然界基本而重要的物質(zhì)，也是人們研究最多卻仍不完全理解的物質(zhì)。相對于宏觀層次上與社會問題密切相關(guān)的水資源、水污染、水利用等環(huán)境科學(xué)與工程研究，關(guān)于水的分子層次上的基礎(chǔ)科學(xué)研究剛剛興起，目前還不為人們所熟悉。在科研活動中，從分子層次上討論水及水與各類物質(zhì)的相互作用的理論和實(shí)驗(yàn)研究是當(dāng)前科學(xué)研究的重要前沿，是物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境等多學(xué)科發(fā)展的基礎(chǔ)；在實(shí)際應(yīng)用中，不管是在關(guān)乎基礎(chǔ)民生的水凈化方面，還是在作為高科技發(fā)展的可再生能源獲取和利用方面，水科學(xué)基礎(chǔ)研究都起著關(guān)鍵作用。目前制約社會發(fā)展的一些關(guān)鍵能源、環(huán)境、醫(yī)藥等問題，都可望從水基礎(chǔ)研究中找到解決方法。然而這些方案投入大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題是缺乏價(jià)格低廉、高效率的材料和器件，亟需從基礎(chǔ)科學(xué)的層面，特別是水與物質(zhì)界面相互作用機(jī)理方面尋求突破。”以上表述也是這個(gè)會上大家對水科學(xué)研究的意義形成的共識。

您因何種機(jī)緣開始涉足水科學(xué)研究？

我關(guān)注與水有關(guān)的研究已有20余年。90年代受中科院公派，我到美國勞倫·伯克利實(shí)驗(yàn)室做為期兩年的高訪研究，回國后就想做納米水層的工作，申請了基金委一個(gè)面上項(xiàng)目，但可能過于超前，申請未果。當(dāng)時(shí)國家對陽光、空氣的前沿研究都有戰(zhàn)略布局，但還沒有系統(tǒng)的水科學(xué)國家項(xiàng)目。這可能是因?yàn)楫?dāng)時(shí)比較大的科研立項(xiàng)一般是要看國際上有沒有人做過這方面的課題，而水問題在發(fā)達(dá)國家不像中國那么迫切和重要，他們沒有列入自己國家的重大科技戰(zhàn)略，這樣國內(nèi)立項(xiàng)也就沒有經(jīng)驗(yàn)可循。當(dāng)時(shí)有領(lǐng)導(dǎo)提出，中國要自己開創(chuàng)一個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域，我們行嗎？這種缺乏自信的情況到2005年前后有所改觀。隨著國內(nèi)前沿基礎(chǔ)的投入增加，大家可以更普遍地開展國際前沿研究工作了，包括納米水層在內(nèi)的一些與水相關(guān)的研究課題也得到了資助。

2007年底，我所在的中科院上海應(yīng)用物理所召開了首次水科學(xué)討論會，吸引了國際上20幾個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的大牛參會，會議討論激烈精彩，特別對水的結(jié)構(gòu)有很大爭議，這種激烈爭論的氛圍對國內(nèi)參會者震動很大。此后，通過楊國楨院士和沈元壤院士等一批有較大影響力的資深科學(xué)家的支持和推動，時(shí)任中科院領(lǐng)導(dǎo)同意立項(xiàng)先行支持，以期把國內(nèi)水科學(xué)研究的隊(duì)伍建立起來，這也是中科院當(dāng)時(shí)較少的純基礎(chǔ)科學(xué)研究的重大項(xiàng)目之一。后來在大家的努力下，也得到了國家基金委重大項(xiàng)目的支持。

您一開始提到的納米水層課題，也是水科學(xué)研究的內(nèi)容吧，能否介紹一下？

胡鈞研究員與本刊特約編輯江世亮談水科學(xué)

所謂納米水層研究就是從納米這個(gè)層級上研究水的一些新現(xiàn)象，進(jìn)而加深對水的本質(zhì)的理解。我早期發(fā)現(xiàn)納米水層可以呈現(xiàn)“室溫下結(jié)冰”的新現(xiàn)象，而最近幾年的工作集中在納米氣泡方面。這個(gè)課題從22年前一個(gè)朦朧的想法，如今已拓展到一個(gè)正在形成的實(shí)實(shí)在在的科學(xué)前沿領(lǐng)域，而且是主要由中國科學(xué)家積極推動、并開始得到多個(gè)國家科學(xué)共同體響應(yīng)的新領(lǐng)域。

納米氣泡這一現(xiàn)象是1996年初我在做單分子表面成像時(shí)，為了得到高分辨率，在去掉兩層細(xì)胞膜中的一層時(shí)發(fā)現(xiàn)的。這種納米級氣泡在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定存在，在原子力顯微鏡下能看到，這與傳統(tǒng)理論認(rèn)為的“納米級氣泡是不穩(wěn)定的”相悖。但為什么它的存在迄今為止理論上仍給不出合理解釋？

窺見到這一獨(dú)特而陌生的現(xiàn)象，我很興奮。1999年在首爾參加國際會議時(shí)，我展示了納米氣泡的圖像。2000年這個(gè)工作發(fā)表在美國《真空科學(xué)與技術(shù)》雜志上，這也是這個(gè)領(lǐng)域直接觀測到納米氣泡的第一篇文章。后來日本、澳大利亞科學(xué)家也先后報(bào)道了納米氣泡的工作。2004年，我在交大的博士生張雪花又用真空脫氣方法更系統(tǒng)地重復(fù)了這一實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步肯定了納米氣泡的存在，發(fā)表了影響力更大的文章。

2004年，我在一次中德交流會上介紹了納米氣泡的工作，一個(gè)與會的德國科學(xué)家很興奮，他對氧氣如何有效進(jìn)入細(xì)胞很關(guān)注，因?yàn)檠鯕饪焖儆行нM(jìn)入細(xì)胞對治療癌癥非常有價(jià)值。原來大家設(shè)想是否存在有氧氣進(jìn)入細(xì)胞的膜通道，但相關(guān)研究進(jìn)展不大，而納米氣泡或許能開辟一條氧氣進(jìn)入細(xì)胞的途徑。這樣，陸續(xù)就有在澳大利亞、德國、中國的科學(xué)家開始研究納米氣泡，并逐步形成了一個(gè)納米氣泡研究的小領(lǐng)域。2012年、2014年、2017年和2018年先后在法國、中國上海、澳大利亞和中國蘇州召開過4次納米氣泡國際會議，現(xiàn)在納米氣泡領(lǐng)域每年論文發(fā)表量已達(dá)到百篇以上。在2014年的國際會議上，我提議籌建納米氣泡國際學(xué)術(shù)組織為大家所接受，目前這個(gè)國際納米氣泡學(xué)會（籌）已開展活動。國內(nèi)也成立了中國微納米氣泡技術(shù)委員會。

如果說水科學(xué)的工作目前還處在基礎(chǔ)研究的早期階段，但水與界面領(lǐng)域的納米氣泡研究已經(jīng)更接近于實(shí)用，而且這個(gè)領(lǐng)域目前中國可能領(lǐng)頭，一個(gè)重要的原因是中國現(xiàn)階段的發(fā)展對納米氣泡的應(yīng)用需求更大。

經(jīng)過這些年的醞釀、推動，我國水科學(xué)目前的情況如何，是否已到了發(fā)力階段？

在各方的努力下，水科學(xué)方面的工作在中國漸見雛形。這主要得益于一批德高望重的科學(xué)家的支持，我很感動。由于這是很前沿的研究，發(fā)達(dá)國家都還沒有重大計(jì)劃，所以我們無法參照，缺乏可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，需要自己一步步探索。水科學(xué)對中國的意義又特別重大，因此早晚會成為一個(gè)主流科學(xué)，這已成為這個(gè)領(lǐng)域更多研究者的共識。

接下來如何具體推進(jìn)需要從不同層面著手，我覺得至少要考慮與解決真問題結(jié)合起來，即水科學(xué)的前沿研究要與當(dāng)下水治理的真問題掛鉤。如果能通過水科學(xué)研究對水的理解更深入，從而對水污染治理產(chǎn)生一些顛覆性技術(shù)的話，那么水科學(xué)的地位提高和受重視就是水到渠成的事。譬如無論納米水層、還是納米氣泡，都是試圖揭示自然現(xiàn)象背后規(guī)律的同時(shí)關(guān)注現(xiàn)實(shí)：現(xiàn)在水體底部缺氧是大問題，河道變臭，珊瑚礁死亡已是世界性難題。以往人們把氧加到水底以期改變水體污染的努力之所以見效甚微，其原因在于氧很難進(jìn)入水底且長時(shí)間固定，又不對生態(tài)造成太大的干擾。納米氣泡原理上可以解決這些問題，200納米以下的氣泡基本上可以忽略浮力的影響，可以在水下以布朗運(yùn)動隨意擴(kuò)散。我們實(shí)驗(yàn)室和其它實(shí)驗(yàn)室的小試結(jié)果很成功。相信通過產(chǎn)業(yè)界的介入，會使這一技術(shù)加快成熟，用于水體底泥原位修復(fù)，而且?guī)缀醪挥没瘜W(xué)材料。2018年10月結(jié)束的第4屆納米氣泡國際會議上已達(dá)成共識，認(rèn)為納米氣泡有可能成為水體修復(fù)的顛覆性技術(shù)。

2018年10月30日北京水科學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究研討會上，與會專家形成了一份《關(guān)于加強(qiáng)水基礎(chǔ)科學(xué)研究和學(xué)科發(fā)展的政策建議》初稿，提出加強(qiáng)對水基礎(chǔ)科學(xué)研究的重視、支持和宣傳，組建水科學(xué)研究中心，建立水科學(xué)人才培養(yǎng)體系和加強(qiáng)水科學(xué)的國際合作等具體任務(wù)。這也是國內(nèi)科學(xué)共同體對水科學(xué)的明確支持。

我在這里也想借此發(fā)出呼吁，希望有更多對水科學(xué)感興趣的人一起參與其中。目前已經(jīng)到了這樣一個(gè)階段，即由中國科學(xué)家領(lǐng)頭開創(chuàng)一個(gè)新方向、新領(lǐng)域正在變得越來越可行，也越來越重要。這樣堅(jiān)持?jǐn)?shù)年、幾十年，中國科學(xué)一定會走到前面。我們期待著這一天的早日到來。