膠體與界面化學(xué)研究進(jìn)展
——郝京誠教授及其團(tuán)隊(duì)專訪

《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京 100871

膠體與界面化學(xué)是研究分散體系的物理化學(xué)性質(zhì)和界面現(xiàn)象的科學(xué)。該學(xué)科與實(shí)際生活結(jié)合緊密，并與其他學(xué)科密切相關(guān)，其基本原理在物理化學(xué)的各分支學(xué)科中最具基礎(chǔ)性、理論性和應(yīng)用性。

我們有幸采訪了膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域?qū)W者，《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》“膠體與界面化學(xué)”特刊的客座編輯郝京誠教授。他為我們分享了在膠體與界面化學(xué)，特別是表面活性劑物理化學(xué)方面的研究經(jīng)歷，介紹了相關(guān)領(lǐng)域國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，以及納米材料化學(xué)和超分子化學(xué)等新興交叉領(lǐng)域的發(fā)展，對先進(jìn)表征技術(shù)的快速發(fā)展和理論化學(xué)的進(jìn)步對膠體與界面化學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的助推作用進(jìn)行了評介，并對我國在膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域研究中所面臨的一些重要問題進(jìn)行了分析，提出了自己的建議。

問題1：郝京誠教授，在您的科研生涯中從事過哪些方面的研究？您從什么時(shí)候開始從事膠體與界面化學(xué)方面的研究？

回答：我從1987年做本科論文時(shí)就開始與膠體與界面化學(xué)結(jié)緣，這些年來一直從事表面活性劑合成和物理化學(xué)方面的研究工作。在碩士研究生階段，師從山東大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院沈靜蘭教授，論文的研究內(nèi)容是“陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTABr)和表面活性萃取劑正三辛基氧膦(TOPO)協(xié)同萃取鈾的熱力學(xué)研究”；1993年開始攻讀博士學(xué)位，主要研究利用電子自旋共振(ESR)探測膠束、微乳液和溶致液晶微極性變化，于1997年在Langmuir上發(fā)表了英文文章“尿素對膠束溶液微環(huán)境影響的ESR研究”；1997年博士畢業(yè)之后，分別在日本名古屋大學(xué)、德國Bayreuth大學(xué)物理化學(xué)I和美國紐約州立大學(xué)實(shí)習(xí)分校從事STA、洪堡學(xué)者和博士后研究，一直開展先進(jìn)表征技術(shù)如冷凍蝕刻(Freeze-fracture)和低溫(cryo-)透射電子顯微鏡(TEM)、動(dòng)態(tài)光散射(DLS)對膠體分散體系，特別是表面活性劑溶液聚集結(jié)構(gòu)材料和應(yīng)用的研究。

問題2：請介紹一下您所在的山東大學(xué)膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和您的研究團(tuán)隊(duì)在膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域取得的主要成果。

回答：山東大學(xué)膠體與界面化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是我國建立的第一個(gè)膠體與界面化學(xué)研究所和教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究內(nèi)容涉及到表面活性劑科學(xué)與理論模擬、納米結(jié)構(gòu)和生物界面材料、油田化學(xué)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用。老一代膠體與界面科學(xué)家為實(shí)驗(yàn)室發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，實(shí)驗(yàn)室已成為我國膠體與界面化學(xué)研究的人才、高技術(shù)原創(chuàng)性成果的培育基地。

我的研究團(tuán)隊(duì)一直從事膠體與界面化學(xué)科學(xué)理論和相關(guān)重大共性關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新研究，同時(shí)也承擔(dān)著基礎(chǔ)教學(xué)和人才培養(yǎng)工作。在膠體分散體系的理論與表面活性劑制備技術(shù)和應(yīng)用等方面做出了突出貢獻(xiàn)，主要科技成果包括：1)發(fā)現(xiàn)了表面活性劑零膜電荷層狀密堆積囊泡新結(jié)構(gòu)，基于曲率能計(jì)算，闡明了其形成機(jī)理；設(shè)計(jì)了避免外界能量引入的水解質(zhì)子化反應(yīng)，證明了外界剪切力決定了囊泡的形成，解決了表面活性劑科學(xué)中層狀相向囊泡轉(zhuǎn)換過程中存在長期爭議的科學(xué)問題。2)發(fā)現(xiàn)了金屬離子配位限域組裝的向列相液晶相，基于Frank-Oseen彈性能量和Rapini-Papoular各向異性表面能的關(guān)系，闡明了向列相液晶長期穩(wěn)定存在的機(jī)制，建立了該類凝聚態(tài)軟物質(zhì)的限域制備新方法。3)依據(jù)毛細(xì)作用力和Young-Laplace附加壓力計(jì)算，揭示了吸附、自擴(kuò)散、電控制表界面有序多孔材料形成的理論，描繪了表界面結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系規(guī)律，提出了表界面成孔和成膜的新方法。

問題3：請您簡單回顧一下膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域最近幾年的重要進(jìn)展。

回答：近年來，由于納米材料化學(xué)和超分子化學(xué)的融入，極大地助推了膠體與界面化學(xué)的發(fā)展，研究方向也由早期的單分子LB膜等轉(zhuǎn)向了“膠體分散體系設(shè)計(jì)、新技術(shù)表征和新理論創(chuàng)新及應(yīng)用”，膠體與界面科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了碟狀膠束和離子配位限域絲狀向列相液晶等新穎結(jié)構(gòu)，利用同步輻射中子散射實(shí)現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)的表征和性能的實(shí)時(shí)調(diào)控。膠體分散體系在能源、催化、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用方面也涌現(xiàn)了大量的創(chuàng)新性研究成果。膠體與界面科學(xué)新術(shù)語、新理論不斷出現(xiàn)，如復(fù)雜流體和軟物質(zhì)、動(dòng)態(tài)相互作用(非平衡、時(shí)間和速率依賴性)等，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使準(zhǔn)確模擬復(fù)雜體系成為了可能，驅(qū)動(dòng)了許多尚未理解或正在感知的新理論模型的產(chǎn)生等。

問題4：目前我國膠體與界面化學(xué)研究在國際上處于什么水平？

回答：在國家的大力支持和我國科學(xué)家的努力下，我國膠體與界面化學(xué)發(fā)展迅速，在膠體分散體系與界面化學(xué)領(lǐng)域的研究中取得了突破性進(jìn)展，很多結(jié)果得到了國際同行的關(guān)注和認(rèn)可，極大地提升了我國在該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位。需要指出的是，由于國內(nèi)學(xué)者更加關(guān)注納米材料、能源、生物醫(yī)藥等新興領(lǐng)域的前沿研究，相較于國際上在膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域的研究，研究方向有所偏移。但國內(nèi)仍然有很多團(tuán)隊(duì)堅(jiān)守在膠體與界面化學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，相關(guān)研究結(jié)果走在了世界的前列。因此，我們應(yīng)當(dāng)注意將新興方向與傳統(tǒng)研究領(lǐng)域并重，并進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使這一傳統(tǒng)學(xué)科煥發(fā)出蓬勃的生命力。

問題5：膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域有迫切需要突破的卡脖子技術(shù)嗎？請您分析一下膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域面臨的一些重要問題。

回答：目前，膠體分散體系的研究相較于納米材料和能源催化的原創(chuàng)成果，仍然受到表征技術(shù)不足和新理論欠缺的局限，理論創(chuàng)新落后于實(shí)際應(yīng)用。然而，越來越精致的表征技術(shù)如同步輻射中子散射和低溫電鏡用于實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，對膠體分散體系的制備和工業(yè)過程的理論指導(dǎo)都能產(chǎn)生重要的促進(jìn)作用。因此，對膠體分散體系的新穎表征技術(shù)和新膠體理論、結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系等需要進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究是膠體與界面化學(xué)領(lǐng)域面臨的一些重要問題。

問題6：我國膠體與界面化學(xué)在哪些方面獲得了實(shí)際應(yīng)用？

回答：膠體與界面化學(xué)是最密切結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際、理論性和實(shí)際應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)科，并與其他學(xué)科息息相關(guān)，相關(guān)的研究成果對生物醫(yī)藥、材料、環(huán)境和能源等產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的發(fā)展起到了重大的促進(jìn)作用。如陜西師范大學(xué)的高性能敏感薄膜與傳感器技術(shù)，針對隱藏爆炸物、毒品和某些有毒有害化學(xué)品研制出當(dāng)今最高水準(zhǔn)的薄膜基熒光傳感器和檢測設(shè)備，并與深圳礪劍防務(wù)技術(shù)集團(tuán)建立了深圳礪劍防衛(wèi)技術(shù)有限公司，推出了多個(gè)型號爆炸物熒光探測設(shè)備、毒品熒光探測設(shè)備，銷售額超過1.77億元，納稅超過2300萬元。他們的產(chǎn)品在十九大、G20峰會(huì)、博鰲論壇、上海進(jìn)博會(huì)、港珠澳大橋通車典禮、外國元首接待、首長專列、中央軍委等重大活動(dòng)或重要場所的安全保衛(wèi)中發(fā)揮了重要作用。中國科學(xué)院化學(xué)研究所在超臨界流體體系的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，特別是實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)，以及分子馬達(dá)自組裝方面達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，是典型的基礎(chǔ)研究與綠色化學(xué)反應(yīng)和技術(shù)開發(fā)相結(jié)合的產(chǎn)物。山東大學(xué)創(chuàng)新性地提出了結(jié)構(gòu)響應(yīng)型表面活性劑合成新工藝，實(shí)現(xiàn)了粘彈性蠕蟲狀膠束和凝膠材料的可控制備，成功將粘彈性表面活性劑材料應(yīng)用于油田開采中的清潔壓裂液，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵油田化學(xué)品開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，提升了產(chǎn)業(yè)競爭力；同時(shí)，突破了分離提純、產(chǎn)品純化的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出超低界面張力、耐強(qiáng)堿、可降解、生物相容的鼠李糖脂類表面活性劑發(fā)酵法綠色生產(chǎn)工藝，完成了鼠李糖脂類表面活性劑1000 噸/年的生產(chǎn)示范，為我國基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)化提供了新策略。

問題7：您可否預(yù)測和分析一下膠體與界面化學(xué)的現(xiàn)狀、發(fā)展方向？

回答：納米材料化學(xué)和超分子化學(xué)等新方向的融入，特別是膠體分散體系現(xiàn)代表征技術(shù)的利用，極大助推了膠體與界面化學(xué)的發(fā)展。人們利用同步輻射小角度中子散射、低溫電鏡和核磁共振波譜等表征技術(shù)對不同尺寸、維度、形貌、功能的膠體分散體系實(shí)時(shí)調(diào)控表征，已取得一系列基礎(chǔ)研究成果，在實(shí)際應(yīng)用中也獲得了重要效果。未來的發(fā)展需要集中膠體與界面科學(xué)領(lǐng)域的研究力量，發(fā)展兩親分子聚集體新體系的新理論和規(guī)律，實(shí)現(xiàn)膠體分散體系實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新，并在新膠體組裝材料的制造、分散體系與生物醫(yī)學(xué)等重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)布局，對有優(yōu)勢和引領(lǐng)作用的研究方向強(qiáng)化支持，解決膠體與界面化學(xué)中若干重大共性和基礎(chǔ)性問題。面向能源、環(huán)境、健康等可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域，充分發(fā)揮膠體與界面化學(xué)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展中的引領(lǐng)作用，從基礎(chǔ)研究中產(chǎn)生變革性技術(shù)，帶動(dòng)和支撐相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

問題8：您對功能膠體與界面化學(xué)的學(xué)科發(fā)展有哪些期望？

回答：我有以下幾點(diǎn)期望：1)更加注重膠體與界面化學(xué)應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化，聚焦培養(yǎng)一批從事膠體與界面化學(xué)基礎(chǔ)研究的青年力量；2)由單一學(xué)科向多學(xué)科交叉、融合的方向發(fā)展；3)由獨(dú)立工作向集成化和國際化方向發(fā)展；4)更加重視膠體理論和實(shí)驗(yàn)手段與儀器的研發(fā)；5)以膠體與界面化學(xué)的基本原理為基礎(chǔ)，向環(huán)境、能源和生物醫(yī)藥等方面的應(yīng)用拓展。

問題9：您對準(zhǔn)備從事膠體與界面化學(xué)研究的青年學(xué)者有何建議？

回答：我的建議如下：1)選準(zhǔn)研究方向。膠體與界面化學(xué)是一個(gè)涉及化學(xué)、物理、生物和材料科學(xué)多學(xué)科交叉的傳統(tǒng)領(lǐng)域，但其基本概念和原理滲透到生活和工業(yè)的方方面面，青年學(xué)者應(yīng)該系統(tǒng)深入地了解該領(lǐng)域的國際前沿發(fā)展方向以及國家的現(xiàn)實(shí)需求，掌握膠體新體系的精準(zhǔn)構(gòu)筑及其應(yīng)用中的重要進(jìn)展、面臨的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)性問題，選定自己感興趣的研究方向。2)勤奮努力。青年學(xué)者應(yīng)該在自己的研究方向上長期堅(jiān)持不懈的努力，耐得住寂寞，保持與國內(nèi)外同行的學(xué)術(shù)交流，提升自己對研究領(lǐng)域中關(guān)鍵科學(xué)問題的理解。3)不盲從熱點(diǎn)，破除對影響因子的追求。大家在了解國際前沿的發(fā)展的時(shí)候，要有自己獨(dú)立清醒的判斷，能夠客觀評價(jià)相關(guān)方向的發(fā)展，不盲從追尋科研中的熱點(diǎn)方向，要保持科研初心。4)瞄準(zhǔn)重大需求。從長遠(yuǎn)來看，科研在推動(dòng)科學(xué)不斷發(fā)展和完善的同時(shí)，能否將其應(yīng)用于實(shí)際生活，把自己的研究成果展現(xiàn)在祖國的大地上，服務(wù)于社會(huì)，是大家需要不斷關(guān)注和思考的問題。