胶体与界面化学研究进展——郝京诚教授及其团队专访

《物理化学学报》编辑部

北京大学化学与分子工程学院，北京 100871

胶体与界面化学是研究分散体系的物理化学性质和界面现象的科学。该学科与实际生活结合紧密，并与其他学科密切相关，其基本原理在物理化学的各分支学科中最具基础性、理论性和应用性。

我们有幸采访了胶体与界面化学领域学者，《物理化学学报》“胶体与界面化学”特刊的客座编辑郝京诚教授。他为我们分享了在胶体与界面化学，特别是表面活性剂物理化学方面的研究经历，介绍了相关领域国内外的研究现状，以及纳米材料化学和超分子化学等新兴交叉领域的发展，对先进表征技术的快速发展和理论化学的进步对胶体与界面化学的基础和应用研究的助推作用进行了评介，并对我国在胶体与界面化学领域研究中所面临的一些重要问题进行了分析，提出了自己的建议。

问题1：郝京诚教授，在您的科研生涯中从事过哪些方面的研究？您从什么时候开始从事胶体与界面化学方面的研究？

回答：我从1987年做本科论文时就开始与胶体与界面化学结缘，这些年来一直从事表面活性剂合成和物理化学方面的研究工作。在硕士研究生阶段，师从山东大学化学与化工学院沈静兰教授，论文的研究内容是“阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTABr)和表面活性萃取剂正三辛基氧膦(TOPO)协同萃取铀的热力学研究”；1993年开始攻读博士学位，主要研究利用电子自旋共振(ESR)探测胶束、微乳液和溶致液晶微极性变化，于1997年在Langmuir上发表了英文文章“尿素对胶束溶液微环境影响的ESR研究”；1997年博士毕业之后，分别在日本名古屋大学、德国Bayreuth大学物理化学I和美国纽约州立大学实习分校从事STA、洪堡学者和博士后研究，一直开展先进表征技术如冷冻蚀刻(Freeze-fracture)和低温(cryo-)透射电子显微镜(TEM)、动态光散射(DLS)对胶体分散体系，特别是表面活性剂溶液聚集结构材料和应用的研究。

问题2：请介绍一下您所在的山东大学胶体与界面化学教育部重点实验室和您的研究团队在胶体与界面化学领域取得的主要成果。

回答：山东大学胶体与界面化学教育部重点实验室是我国建立的第一个胶体与界面化学研究所和教育部重点实验室，主要研究内容涉及到表面活性剂科学与理论模拟、纳米结构和生物界面材料、油田化学品设计与应用。老一代胶体与界面科学家为实验室发展奠定了基础，实验室已成为我国胶体与界面化学研究的人才、高技术原创性成果的培育基地。

我的研究团队一直从事胶体与界面化学科学理论和相关重大共性关键技术的创新研究，同时也承担着基础教学和人才培养工作。在胶体分散体系的理论与表面活性剂制备技术和应用等方面做出了突出贡献，主要科技成果包括：1)发现了表面活性剂零膜电荷层状密堆积囊泡新结构，基于曲率能计算，阐明了其形成机理；设计了避免外界能量引入的水解质子化反应，证明了外界剪切力决定了囊泡的形成，解决了表面活性剂科学中层状相向囊泡转换过程中存在长期争议的科学问题。2)发现了金属离子配位限域组装的向列相液晶相，基于Frank-Oseen弹性能量和Rapini-Papoular各向异性表面能的关系，阐明了向列相液晶长期稳定存在的机制，建立了该类凝聚态软物质的限域制备新方法。3)依据毛细作用力和Young-Laplace附加压力计算，揭示了吸附、自扩散、电控制表界面有序多孔材料形成的理论，描绘了表界面结构与性能之间的关系规律，提出了表界面成孔和成膜的新方法。

问题3：请您简单回顾一下胶体与界面化学领域最近几年的重要进展。

回答：近年来，由于纳米材料化学和超分子化学的融入，极大地助推了胶体与界面化学的发展，研究方向也由早期的单分子LB膜等转向了“胶体分散体系设计、新技术表征和新理论创新及应用”，胶体与界面科学家发现了碟状胶束和离子配位限域丝状向列相液晶等新颖结构，利用同步辐射中子散射实现了对结构的表征和性能的实时调控。胶体分散体系在能源、催化、生物医药等领域的应用方面也涌现了大量的创新性研究成果。胶体与界面科学新术语、新理论不断出现，如复杂流体和软物质、动态相互作用(非平衡、时间和速率依赖性)等，计算机技术的飞速发展使准确模拟复杂体系成为了可能，驱动了许多尚未理解或正在感知的新理论模型的产生等。

问题4：目前我国胶体与界面化学研究在国际上处于什么水平？

回答：在国家的大力支持和我国科学家的努力下，我国胶体与界面化学发展迅速，在胶体分散体系与界面化学领域的研究中取得了突破性进展，很多结果得到了国际同行的关注和认可，极大地提升了我国在该领域的学术地位。需要指出的是，由于国内学者更加关注纳米材料、能源、生物医药等新兴领域的前沿研究，相较于国际上在胶体与界面化学领域的研究，研究方向有所偏移。但国内仍然有很多团队坚守在胶体与界面化学的应用基础研究领域，相关研究结果走在了世界的前列。因此，我们应当注意将新兴方向与传统研究领域并重，并进行有机结合，使这一传统学科焕发出蓬勃的生命力。

问题5：胶体与界面化学领域有迫切需要突破的卡脖子技术吗？请您分析一下胶体与界面化学领域面临的一些重要问题。

回答：目前，胶体分散体系的研究相较于纳米材料和能源催化的原创成果，仍然受到表征技术不足和新理论欠缺的局限，理论创新落后于实际应用。然而，越来越精致的表征技术如同步辐射中子散射和低温电镜用于实时监测，以及计算机计算能力的提高，对胶体分散体系的制备和工业过程的理论指导都能产生重要的促进作用。因此，对胶体分散体系的新颖表征技术和新胶体理论、结构与性能之间的构效关系等需要进行深入系统的研究是胶体与界面化学领域面临的一些重要问题。

问题6：我国胶体与界面化学在哪些方面获得了实际应用？

回答：胶体与界面化学是最密切结合生产生活实际、理论性和实际应用性极强的学科，并与其他学科息息相关，相关的研究成果对生物医药、材料、环境和能源等产业化领域的发展起到了重大的促进作用。如陕西师范大学的高性能敏感薄膜与传感器技术，针对隐藏爆炸物、毒品和某些有毒有害化学品研制出当今最高水准的薄膜基荧光传感器和检测设备，并与深圳砺剑防务技术集团建立了深圳砺剑防卫技术有限公司，推出了多个型号爆炸物荧光探测设备、毒品荧光探测设备，销售额超过1.77亿元，纳税超过2300万元。他们的产品在十九大、G20峰会、博鳌论坛、上海进博会、港珠澳大桥通车典礼、外国元首接待、首长专列、中央军委等重大活动或重要场所的安全保卫中发挥了重要作用。中国科学院化学研究所在超临界流体体系的设计和应用，特别是实验方法与技术，以及分子马达自组装方面达到了国际领先水平，是典型的基础研究与绿色化学反应和技术开发相结合的产物。山东大学创新性地提出了结构响应型表面活性剂合成新工艺，实现了粘弹性蠕虫状胶束和凝胶材料的可控制备，成功将粘弹性表面活性剂材料应用于油田开采中的清洁压裂液，实现了关键油田化学品开发与产业化，提升了产业竞争力；同时，突破了分离提纯、产品纯化的关键技术，开发出超低界面张力、耐强碱、可降解、生物相容的鼠李糖脂类表面活性剂发酵法绿色生产工艺，完成了鼠李糖脂类表面活性剂1000 吨/年的生产示范，为我国基础材料产业化提供了新策略。

问题7：您可否预测和分析一下胶体与界面化学的现状、发展方向？

回答：纳米材料化学和超分子化学等新方向的融入，特别是胶体分散体系现代表征技术的利用，极大助推了胶体与界面化学的发展。人们利用同步辐射小角度中子散射、低温电镜和核磁共振波谱等表征技术对不同尺寸、维度、形貌、功能的胶体分散体系实时调控表征，已取得一系列基础研究成果，在实际应用中也获得了重要效果。未来的发展需要集中胶体与界面科学领域的研究力量，发展两亲分子聚集体新体系的新理论和规律，实现胶体分散体系实验方法、实验仪器的创新，并在新胶体组装材料的制造、分散体系与生物医学等重点领域进行系统布局，对有优势和引领作用的研究方向强化支持，解决胶体与界面化学中若干重大共性和基础性问题。面向能源、环境、健康等可持续发展领域，充分发挥胶体与界面化学在经济、社会发展中的引领作用，从基础研究中产生变革性技术，带动和支撑相关产业的发展。

问题8：您对功能胶体与界面化学的学科发展有哪些期望？

回答：我有以下几点期望：1)更加注重胶体与界面化学应用研究及产业化，聚焦培养一批从事胶体与界面化学基础研究的青年力量；2)由单一学科向多学科交叉、融合的方向发展；3)由独立工作向集成化和国际化方向发展；4)更加重视胶体理论和实验手段与仪器的研发；5)以胶体与界面化学的基本原理为基础，向环境、能源和生物医药等方面的应用拓展。

问题9：您对准备从事胶体与界面化学研究的青年学者有何建议？

回答：我的建议如下：1)选准研究方向。胶体与界面化学是一个涉及化学、物理、生物和材料科学多学科交叉的传统领域，但其基本概念和原理渗透到生活和工业的方方面面，青年学者应该系统深入地了解该领域的国际前沿发展方向以及国家的现实需求，掌握胶体新体系的精准构筑及其应用中的重要进展、面临的难点和挑战性问题，选定自己感兴趣的研究方向。2)勤奋努力。青年学者应该在自己的研究方向上长期坚持不懈的努力，耐得住寂寞，保持与国内外同行的学术交流，提升自己对研究领域中关键科学问题的理解。3)不盲从热点，破除对影响因子的追求。大家在了解国际前沿的发展的时候，要有自己独立清醒的判断，能够客观评价相关方向的发展，不盲从追寻科研中的热点方向，要保持科研初心。4)瞄准重大需求。从长远来看，科研在推动科学不断发展和完善的同时，能否将其应用于实际生活，把自己的研究成果展现在祖国的大地上，服务于社会，是大家需要不断关注和思考的问题。