追索穿越界面的粒子——记国家“千人计划”特聘专家、吉林大学化学学院教授汪大洋

□ 祝传海

专家简介：

汪大洋，吉林大学化学学院教授。国际胶体界面科学领域知名学者，英国皇家化学会会士（FRSC）。1998年在吉林大学化学系获得高分子化学与物理专业博士学位，师从汤心颐、李铁津、白玉白教授。1999年前往香港科技大学机械工程系David C.C.Lam教授研究组做博士后研究，1999年赴德国马普胶体界面所Helmuth Möhwald教授领导的界面部工作，先在Frank Caruso博士的研究小组做博士后研究并于2000年获得洪堡奖学金。2003年7月起在界面部担任研究组组长。2010年—2015年在澳大利亚南澳大学Ian Wark研究所任物理化学终身研究教授，2015年7月起在墨尔本皇家理工大学任化工系终身教授。2016年获聘中组部“千人计划”专家，同年8月起在吉林大学化学学院任特聘教授。

其主要研究方向包括：水、气、离子和粒子的界面行为，表面润湿和粘附，相转移，粒子分散与聚集，界面相分离，界面催化，酶等生物材料的包埋，穿越生物界面的药物传送，环境治理和修复及废物废能资源再利用。截至目前已发表4个学术专著章节和130余篇高水平研究论文，其中30%以上发表在化学和材料科学领域顶级杂志上（影响因子＞10），其中Angew.、Chem.、Int.、Ed.16篇，共被引用约6300次，H指数为45。

1978年，我国实施改革开放政策，召开全国科学大会，从此走上了经济腾飞、科技飞跃之路。40年间，我国科学事业取得了突飞猛进的发展，自主核心技术越来越多，完成了从跟跑到并跑，甚至部分领域实现领跑的转变。对于科技工作者来说，能够亲身经历这一过程无疑是幸运的，是激动的，是骄傲的。今天，我国科技事业正处于历史上最好的发展时期，没有人可以预测下一个10年、20年，中国将取得怎样的突破。因此，带着亲身参与祖国发展，为实现科技强国目标添砖加瓦的深厚执念，2016年，国际胶体界面科学领域知名学者汪大洋放弃了墨尔本皇家理工大学工程院化工系终身教授职位，以“千人计划”特聘专家的身份加入母校吉林大学任教。

结缘界面粒子 探寻科学奥秘

有诗云：“岭外音书断，经冬复历春，近乡情更怯，不敢问来人。”时隔18年，再次站在吉林大学的校园内，看着来来往往、说说笑笑的学生，唏嘘感慨之余，汪大洋不禁回想起自己的大学生活。

1989年，年轻的汪大洋告别了父母亲友，背起行囊离开了老家辽宁，前往吉林大学化学系学习高分子材料。读博时，由于导师的身体欠佳，他被转到了一个做高分子化学与物理研究的课题组，从材料学的角度展开了探索。当时的他对于以后要从事的研究还没有一个明确的规划。

读万卷书行万里路，对汪大洋来说，丰富的阅历是一笔宝贵的人生财富。在吉林大学夯实基础后，他的视野和脚步开始向外拓展。博士毕业以后，他获得德国洪堡基金的资助，前往德国马普胶体界面所界面部，在Helmuth Möhwald教授的界面部做博士后研究。“我非常感激我当时的导师Möhwald教授，是他帮助我从一个初出茅庐、没有经验的年轻人，逐渐变成了一名明确自己的研究方向，并且有能力为之不断追寻的科研工作者。”时隔多年，回忆起导师，汪大洋依然难掩感激之情。

最初，汪大洋更多的是从事材料学的研究，测试材料的相关性能。而每当完成一项测试之后，他们总会创作一个模型去解释自己的研究成果。或许是因为年轻，当时汪大洋和同事们总是尝试用一些很复杂、高端的模型去解释数据。有一次，Möhwald教授看到了他们的做法，老先生先是夸奖了他们的模型，称其非常漂亮，随后问他们能否制造出更简单的模型，以更简单的机理来解释。就这样，汪大洋和同事渐渐放弃了对复杂模型的追寻，转而努力以更为简单易懂的方式去解释成果。

在搏击较量中，出招过多就是多余无效的招数太多，有效的招数少；医生开的药方越多，就越是把握不好方法，才用那些判断不准的药来试。正所谓大道至简，把复杂冗繁的表象层层剥离之后就是事物最本质的大道理。这也是物理化学所追求的本质，汪大洋渐渐开始明白。

2003年，汪大洋被任命为马普胶体界面所界面部研究组组长，这一当就是7年。由于马普研究所的教授都是政府直接下发科研经费，且原则上不允许申请专利，所以他们没有经费压力，也没有科研转化需求，只专注基础科研的突破。这7年的心无旁骛给了汪大洋沉浸科学海洋的机会，让他学会从物理化学的角度去思考问题。

在胶体粒子领域，小分子、大分子或纳米粒子会在非共价力的作用下组合成规则游戏的物体，这一过程称为“自组装”。这里的非共价力包括范德华力、氢键、静电作用、疏水作用、偶极相互作用等，非人手或机械可以操控，而需要人们对于物理化学的原理加以理解和运用。汪大洋曾经与导师讨论，有没有可能介入胶体粒子的非共价力，改变其自组装方式，让粒子像原子那样组装成各种各样结构的分子。他不是光提出问题不解决的人，为了达成这个看似不可实现的梦想，他带领组员们发散思维，最终将分子模拟和超分子化学概念成功引入到胶体粒子的定向自组装，创新性地提出“超粒子”的概念。他首次实现了带电粒子静电作用调节下的各向异性聚集，并且提出了相关相互作用模型理论。

团队部分成员合影

瞄准国际前沿 勇攀科研高峰

要探求微观世界的各种分子、离子、粒子间的相互作用行为，就离不开对几种界面的研究。学术界通常把不同形态或不同种类的两种物质之间的交界面叫作界面。3种基本形态的物体之间存在着以下几种界面组合：固—固、固—液、固—气、液—液、液—气。按照习惯，他们将固—气、液—气界面叫作固体或液体的表面。

进入汪大洋的研究世界，你会发现那是一个充满神奇魅力，又对国家发展非常重要的基础化学领域。而他的研究方向，也一直是围绕国际前沿和社会需求，在主线不变的情况下不断进行调整的。

自2010年赴南澳大学伊恩沃克研究所任教授以来，汪大洋将研究重点转向了固—液界面的浸润。“浸润”其实很好理解，就是液体在与固体接触时，沿固体表面扩展而相互附着。例如把一块玻璃放进水中，取出时上面会有水滴附着。从事浸润研究的人往往有很明显的特点：偏物理研究的人只关心浸润表面的性质，如亲水或疏水，进而在这个基础上研究亲水的效率、速度等，并不会关心造成亲水或疏水的分子水平起源。但是汪大洋不是这样，他在国际上较早地从分子角度去分析浸润表面的亲水性和疏水性。他深信，只要建立出分子模型，彻底弄清其中的机理，就能挣脱材料的限制，哪怕用简单的材料都能做出具有优异亲水性的涂层。

经过不懈的探寻，汪大洋带领团队发现了粒子“前所未有”的界面行为，在国际上率先实现了纳米粒子在油水界面双向可控穿越，为建立可克服生物屏障的定向纳米载药系统奠定了坚实的理论和实验基础。他在深入理解水分子局部结构和属性的基础上，首次揭示了温度调节的水分子独特的溶剂化过程，重新定义了固体表面的亲水性和疏水性，为油/水分离和去乳化膜或滤器的技术提供了全新的思路；利用纳米粒子稳定乳液和界面溶剂相互作用原理，实现了多种生物催化酶、纳米粒子和药物的有效包埋，在体内和体外生物检测、疾病治疗和生物催化等方面具有广阔的应用前景。

南澳大学一直以来都与工业界联系密切，身处其中，汪大洋也不免受其影响，开始思考自己的研究成果如何实现应用。在工业实践中，要让一个表面具有亲水性并不难，但让其长期维持亲水性却很难，因为自然界实际上不允许亲水的表面存在。根据已经建立的分子模型，汪大洋找到了具有这方面功能的高分子，发现只需借助简单的浸涂工艺将聚电解质多层膜和纤维素纳米纤丝（CNF）单层膜先后涂覆在固体表面，CNF涂层表面上各种油性污染物就可以很容易地被水清洗干净。这一发现为简单、快速，大面积地制备自清洁表面涂层提供了全新思路。

由于亲水材料具有高的表面能，其表面的极性基团在空气中会尽可能向内翻转重构进而降低表面能。也是由于其表面能高，在空气中亲水表面可以被油完全浸润，即空气中超亲油。这就造成亲水表面如聚丙烯酸等材料表面一旦在空气中被油污染，很难被水清洗干净。但CNF是个特例。尽管亲水的CNF表面在空气中也可以被油完全浸润，但一旦将被油污染的CNF表面浸入水中，油膜就会迅速地收缩成油滴，完全从CNF表面分离。表面敏感的掠角红外光谱分析证明CNF涂层表面所表现出的自清洁功能可以与其各向同性的分子构型密切关联。大量的羧基和羟基致密、均一、对称地键链在每根CNF纤丝外部壳层。故此，不管CNF纤丝是如何伴随外界环境变化而相应地在空间翻转重构，其与外界环境直接接触的极性基团数量保持恒定，从而最大限度地降低了表面重构对CNF涂层表面的亲水性的影响。这一各向同性的分子构型保证了CNF涂层表面在任何环境中可以被水高效，稳定地浸润，不管该表面受到怎样的破坏，只要一接触到水，就会马上恢复其亲水性。

进一步地，汪大洋带领团队借助简单的浸涂工艺将聚电解质多层膜和纤维素纳米纤丝单层膜先后涂覆在不锈钢网表面，从而制备出高效的油水分离滤膜。因为CNF涂层表面具有优异的自清洁功能，无论是高粘度的机油还是普通的烷烃甚至极性较大，微溶于水的戊醇和丁醇都可以利用CNF涂覆的滤膜直接实现与水有效分离。此外，CNF涂覆的滤膜不仅可以用于过滤，还可以用来捞取水面上的浮油。故此，CNF涂覆的滤膜克服了目前基于表面亲水性制备的油水分离滤膜在实际应用中的诸多技术瓶颈，特别是避免操作的复杂性和化学技术的依赖性，有望在清除海上油污染等实际油水分离领域得到广泛推广。

对于汪大洋来说，这些成果算不上是多大的成就，充其量只是一个很小的进步，但是后来却有大公司试图来购买专利。这让他意识到，很多时候，基础科研上迈出的一小步会在很大程度上影响到工业实践；当工业实践中遇到真正无法解决的技术性难题时，能够依靠的绝不是自身的优化、整合，只会是基础科研。

如果说在马普胶体界面所界面部的7年研究组组长经历让汪大洋学会从物理化学的角度去看待研究，那么在南澳大学的5年就让他真正找到了感兴趣的研究方向，同时更理解如何去与工业界开展合作，如何让自己的研究更快更好地造福社会。

寄望满园桃李 引领新生力量

回国以后，汪大洋选择回到母校吉林大学任职。化学学院注重学生综合素质的培养，提倡德才兼备，树立勤奋好学、严谨创新的优良学风来激励学生奋进。当他选择回到这个梦起的地方，与吉林大学一起并肩开拓新的领地时，心中早已充满了希望。两年中，他最骄傲的就是手下带着的学生逐渐开始走向正轨。“我从事的研究领域虽然属于化学系，但对很多学化学的学生来说太偏物理，所以学生们上手是很困难的。”汪大洋解释道，“不过我很幸运，我的学生们都很努力，慢慢地会有很多新的结果出来。”

现在，汪大洋的课题组有11人，除了他自己，还有5个博士生，3个硕士生，再加2个博士后。他很满意现在的团队规模，因为可以直接而高效地和学生面对面交流。他非常感激在科研道路上给予自己极大帮助的每一位导师，因此也希望能够把前辈导师对自己的人生和科学的影响潜移默化地传递给自己的学生。“我觉得对于研究生来说，无论是硕士生还是博士生，相比起从我这里学习知识，他们更应该从我看问题的方式、对事物的理解中得到启示。因为这才是真正重要的，而不仅仅是学习一星半点的知识，发一两篇文章。”汪大洋说。

一直以来，汪大洋的工作都侧重于揭示与支撑人类健康、复合材料、建筑和自然环境相关的分子相互作用基本原理及其应用研究，探求微观世界的各种分子、离子、粒子间的相互作用行为演化为纷繁复杂的宏观物理化学现象的途径、规律和模型。他尤其希望能够揭示在我们所赖以生存的非手性自然环境中，手性分子是如何被诱导、拆分和选择性地以单一手性构象存在的物理化学基本原理。

为此，他将课题组今后的工作分为了几大方向。其一，利用纳米粒子作为分子模型来研究体相和界面水介质中，水、气和分子之间的相互作用，揭示主导粒子在水、有机或气相介质中分散的基本规律，理解粒子在体相和界面水介质中彼此是如何相互作用，以及他们与界面是如何相互作用的。以此建立DNA和蛋白质在非手性的水环境中选择性自组织成独特手性结构的物理化学基础，并将相关研究应用到以下两个方面：开发创新型药物输送策略，以跨越体内的生物屏障（如脑血屏障），实现药物的高效输送；建立新型固定酶、细菌和酵母的方法并用作生物催化，为生物燃料生产和环境修复提供新的策略。

其二，在深入理解水分子局部结构和属性的基础上，进一步揭示“固体表面的亲水性和疏水性”的物理化学本质和分子相互作用基础，理解表面与界面科学领域中这一关键的科学问题。应用该研究成果开发高效、廉价和可规模生产的滤膜或滤器，用于油/水分离和去乳化，解决石油回收、公用设施和工业废水清理和油污补救的关键难题。

其三，研究水、离子和分子通过纳米尺寸通道的界面性质，丰富人们对细胞体系离子通道功能相关的知识；并通过仿生的方法构建具有特殊微观结构和界面性质的功能材料，为海水淡化膜新技术的发展提供开创性的灵感和方法。

最后，基于分子相互作用基本原理，创建简单而精妙的方法，发展固液气临界条件下智能处理、回收和再利用市政和工业固体废物、废水和空气污染物的方法，为工业、仿生工程和制造等方面的产出带来指数增长，减少能源消耗及其对环境的不利影响，解决当今资源日益缺乏所带来的社会和工业重大挑战，为建设可持续发展的未来开辟新的途径。

汪大洋对自己这4个方向工作的规划很有条理，伴随着学生们科研能力的提升，他开始将更多的期待寄托在学生身上。作为一名高校教师，汪大洋对自己的身份极具认同感。他认为，高校教师的首要目的就是培养学生，在做任何事情之前，都应该首先想到这样做对学生有没有好处？因为爱之深所以责之切，他平时对学生的要求很严，总是希望他们能够挑战自己，做到最好。他吝于当面对学生表达期盼，倒是常常开玩笑说：“我不认为自己能得诺贝尔奖，但希望我的学生能得这样的奖。”

对于汪大洋这个“严师”来说，多少希冀与厚望都隐藏在这句话之中。毕竟，祖国下一个10年、20年的发展需要注入新生血液，离不开下一辈学生的共同努力。虽然多年置身海外，但似乎总有一根线在汪大洋和祖国之间牵着，他愿意将自己多年所学、所得反哺给母校，培养出下一代新人。艰难困苦，玉汝于成。面向未来，汪大洋和团队会携手向前，在祖国的大地上逐一实现心中的科研梦想。

指导学生