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媒體報道：

追索穿越界面的粒子

——記國家“**計劃”特聘專家、吉林大學化學學院教授汪大洋

1978年，我國實施改革開放政策，召開全國科學大會，從此走上了經濟騰飛、科技飛躍之路。40年間，我國科學事業取得了突飛猛進的發展，自主核心技術越來越多，完成了從跟跑到并跑，甚至部分領域實現領跑的轉變。對于科技工作者來說，能夠親身經歷這一過程無疑是幸運的，是激動的，是驕傲的。今天，我國科技事業正處于歷史上最好的發展時期，沒有人可以預測下一個10年、20年，中國將取得怎樣的突破。因此，帶著親身參與祖國發展，為實現科技強國目標添磚加瓦的深厚執念，2016年，國際膠體界面科學領域知名學者汪大洋放棄了墨爾本皇家理工大學工程院化工系終身教授職位，以“千人計劃”特聘專家的身份加入母校吉林大學任教。

結緣界面粒子 探尋科學奧秘

有詩云：“嶺外音書斷，經冬復歷春，近鄉情更怯，不敢問來人。”時隔18年，再次站在吉林大學的校園內，看著來來往往、說說笑笑的學生，唏噓感慨之余，汪大洋不禁回想起自己的大學生活。

1989年，年輕的汪大洋告別了父母親友，背起行囊離開了老家遼寧，前往吉林大學化學系學習高分子材料。讀博時，由于導師的身體欠佳，他被轉到了一個做高分子化學與物理研究的課題組，從材料學的角度展開了探索。當時的他對于以后要從事的研究還沒有一個明確的規劃。

讀萬卷書行萬里路，對汪大洋來說，豐富的閱歷是一筆寶貴的人生財富。在吉林大學夯實基礎后，他的視野和腳步開始向外拓展。博士畢業以后，他獲得德國洪堡基金的資助，前往德國馬普膠體界面所界面部，在Helmuth M?hwald教授的界面部做博士后研究。“我非常感激我當時的導師M?hwald教授，是他幫助我從一個初出茅廬、沒有經驗的年輕人，逐漸變成了一名明確自己的研究方向，并且有能力為之不斷追尋的科研工作者。”時隔多年，回憶起導師，汪大洋依然難掩感激之情。

最初，汪大洋更多的是從事材料學的研究，測試材料的相關性能。而每當完成一項測試之后，他們總會創作一個模型去解釋自己的研究成果。或許是因為年輕，當時汪大洋和同事們總是嘗試用一些很復雜、高端的模型去解釋數據。有一次，M?hwald教授看到了他們的做法，老先生先是夸獎了他們的模型，稱其非常漂亮，隨后問他們能否制造出更簡單的模型，以更簡單的機理來解釋。就這樣，汪大洋和同事漸漸放棄了對復雜模型的追尋，轉而努力以更為簡單易懂的方式去解釋成果。

在搏擊較量中，出招過多就是多余無效的招數太多，有效的招數少；醫生開的藥方越多，就越是把握不好方法，才用那些判斷不準的藥來試。正所謂大道至簡，把復雜冗繁的表象層層剝離之后就是事物最本質的大道理。這也是物理化學所追求的本質，汪大洋漸漸開始明白。

2003年，汪大洋被任命為馬普膠體界面所界面部研究組組長，這一當就是7年。由于馬普研究所的教授都是政府直接下發科研經費，且原則上不允許申請專利，所以他們沒有經費壓力，也沒有科研轉化需求，只專注基礎科研的突破。這7年的心無旁騖給了汪大洋沉浸科學海洋的機會，讓他學會從物理化學的角度去思考問題。

在膠體粒子領域，小分子、大分子或納米粒子會在非共價力的作用下組合成規則游戲的物體，這一過程稱為“自組裝”。這里的非共價力包括范德華力、氫鍵、靜電作用、疏水作用、偶極相互作用等，非人手或機械可以操控，而需要人們對于物理化學的原理加以理解和運用。汪大洋曾經與導師討論，有沒有可能介入膠體粒子的非共價力，改變其自組裝方式，讓粒子像原子那樣組裝成各種各樣結構的分子。他不是光提出問題不解決的人，為了達成這個看似不可實現的夢想，他帶領組員們發散思維，最終將分子模擬和超分子化學概念成功引入到膠體粒子的定向自組裝，創新性地提出“超粒子”的概念。他首次實現了帶電粒子靜電作用調節下的各向異性聚集，并且提出了相關相互作用模型理論。

瞄準國際前沿 勇攀科研高峰

要探求微觀世界的各種分子、離子、粒子間的相互作用行為，就離不開對幾種界面的研究。學術界通常把不同形態或不同種類的兩種物質之間的交界面叫作界面。3種基本形態的物體之間存在著以下幾種界面組合：固—固、固—液、固—氣、液—液、液—氣。按照習慣，他們將固—氣、液—氣界面叫作固體或液體的表面。

進入汪大洋的研究世界，你會發現那是一個充滿神奇魅力，又對國家發展非常重要的基礎化學領域。而他的研究方向，也一直是圍繞國際前沿和社會需求，在主線不變的情況下不斷進行調整的。

自2010年赴南澳大學伊恩沃克研究所任教授以來，汪大洋將研究重點轉向了固—液界面的浸潤。“浸潤”其實很好理解，就是液體在與固體接觸時，沿固體表面擴展而相互附著。例如把一塊玻璃放進水中，取出時上面會有水滴附著。從事浸潤研究的人往往有很明顯的特點：偏物理研究的人只關心浸潤表面的性質，如親水或疏水，進而在這個基礎上研究親水的效率、速度等，并不會關心造成親水或疏水的分子水平起源。但是汪大洋不是這樣，他在國際上較早地從分子角度去分析浸潤表面的親水性和疏水性。他深信，只要建立出分子模型，徹底弄清其中的機理，就能掙脫材料的限制，哪怕用簡單的材料都能做出具有優異親水性的涂層。

經過不懈的探尋，汪大洋帶領團隊發現了粒子“前所未有”的界面行為，在國際上率先實現了納米粒子在油水界面雙向可控穿越，為建立可克服生物屏障的定向納米載藥系統奠定了堅實的理論和實驗基礎。他在深入理解水分子局部結構和屬性的基礎上，首次揭示了溫度調節的水分子獨特的溶劑化過程，重新定義了固體表面的親水性和疏水性，為油/水分離和去乳化膜或濾器的技術提供了全新的思路；利用納米粒子穩定乳液和界面溶劑相互作用原理，實現了多種生物催化酶、納米粒子和藥物的有效包埋，在體內和體外生物檢測、疾病治療和生物催化等方面具有廣闊的應用前景。  

團隊部分成員合影

南澳大學一直以來都與工業界聯系密切，身處其中，汪大洋也不免受其影響，開始思考自己的研究成果如何實現應用。在工業實踐中，要讓一個表面具有親水性并不難，但讓其長期維持親水性卻很難，因為自然界實際上不允許親水的表面存在。根據已經建立的分子模型，汪大洋找到了具有這方面功能的高分子，發現只需借助簡單的浸涂工藝將聚電解質多層膜和纖維素納米纖絲（CNF）單層膜先后涂覆在固體表面，CNF涂層表面上各種油性污染物就可以很容易地被水清洗干凈。這一發現為簡單、快速，大面積地制備自清潔表面涂層提供了全新思路。

由于親水材料具有高的表面能，其表面的極性基團在空氣中會盡可能向內翻轉重構進而降低表面能。也是由于其表面能高，在空氣中親水表面可以被油完全浸潤，即空氣中超親油。這就造成親水表面如聚丙烯酸等材料表面一旦在空氣中被油污染，很難被水清洗干凈。但CNF是個特例。盡管親水的CNF表面在空氣中也可以被油完全浸潤，但一旦將被油污染的CNF表面浸入水中，油膜就會迅速地收縮成油滴，完全從CNF表面分離。表面敏感的掠角紅外光譜分析證明CNF涂層表面所表現出的自清潔功能可以與其各向同性的分子構型密切關聯。大量的羧基和羥基致密、均一、對稱地鍵鏈在每根CNF纖絲外部殼層。故此，不管CNF纖絲是如何伴隨外界環境變化而相應地在空間翻轉重構，其與外界環境直接接觸的極性基團數量保持恒定，從而最大限度地降低了表面重構對CNF涂層表面的親水性的影響。這一各向同性的分子構型保證了CNF涂層表面在任何環境中可以被水高效，穩定地浸潤，不管該表面受到怎樣的破壞，只要一接觸到水，就會馬上恢復其親水性。

進一步地，汪大洋帶領團隊借助簡單的浸涂工藝將聚電解質多層膜和纖維素納米纖絲單層膜先后涂覆在不銹鋼網表面，從而制備出高效的油水分離濾膜。因為CNF涂層表面具有優異的自清潔功能，無論是高粘度的機油還是普通的烷烴甚至極性較大，微溶于水的戊醇和丁醇都可以利用CNF涂覆的濾膜直接實現與水有效分離。此外，CNF涂覆的濾膜不僅可以用于過濾，還可以用來撈取水面上的浮油。故此，CNF涂覆的濾膜克服了目前基于表面親水性制備的油水分離濾膜在實際應用中的諸多技術瓶頸，特別是避免操作的復雜性和化學技術的依賴性，有望在清除海上油污染等實際油水分離領域得到廣泛推廣。

對于汪大洋來說，這些成果算不上是多大的成就，充其量只是一個很小的進步，但是后來卻有大公司試圖來購買專利。這讓他意識到，很多時候，基礎科研上邁出的一小步會在很大程度上影響到工業實踐；當工業實踐中遇到真正無法解決的技術性難題時，能夠依靠的絕不是自身的優化、整合，只會是基礎科研。

如果說在馬普膠體界面所界面部的7年研究組組長經歷讓汪大洋學會從物理化學的角度去看待研究，那么在南澳大學的5年就讓他真正找到了感興趣的研究方向，同時更理解如何去與工業界開展合作，如何讓自己的研究更快更好地造福社會。

寄望滿園桃李 引領新生力量

回國以后，汪大洋選擇回到母校吉林大學任職。化學學院注重學生綜合素質的培養，提倡德才兼備，樹立勤奮好學、嚴謹創新的優良學風來激勵學生奮進。當他選擇回到這個夢起的地方，與吉林大學一起并肩開拓新的領地時，心中早已充滿了希望。兩年中，他最驕傲的就是手下帶著的學生逐漸開始走向正軌。“我從事的研究領域雖然屬于化學系，但對很多學化學的學生來說太偏物理，所以學生們上手是很困難的。”汪大洋解釋道，“不過我很幸運，我的學生們都很努力，慢慢地會有很多新的結果出來。”

現在，汪大洋的課題組有11人，除了他自己，還有5個博士生，3個碩士生，再加2個博士后。他很滿意現在的團隊規模，因為可以直接而高效地和學生面對面交流。他非常感激在科研道路上給予自己極大幫助的每一位導師，因此也希望能夠把前輩導師對自己的人生和科學的影響潛移默化地傳遞給自己的學生。“我覺得對于研究生來說，無論是碩士生還是博士生，相比起從我這里學習知識，他們更應該從我看問題的方式、對事物的理解中得到啟示。因為這才是真正重要的，而不僅僅是學習一星半點的知識，發一兩篇文章。”汪大洋說。

一直以來，汪大洋的工作都側重于揭示與支撐人類健康、復合材料、建筑和自然環境相關的分子相互作用基本原理及其應用研究，探求微觀世界的各種分子、離子、粒子間的相互作用行為演化為紛繁復雜的宏觀物理化學現象的途徑、規律和模型。他尤其希望能夠揭示在我們所賴以生存的非手性自然環境中，手性分子是如何被誘導、拆分和選擇性地以單一手性構象存在的物理化學基本原理。

為此，他將課題組今后的工作分為了幾大方向。其一，利用納米粒子作為分子模型來研究體相和界面水介質中，水、氣和分子之間的相互作用，揭示主導粒子在水、有機或氣相介質中分散的基本規律，理解粒子在體相和界面水介質中彼此是如何相互作用，以及他們與界面是如何相互作用的。以此建立DNA和蛋白質在非手性的水環境中選擇性自組織成獨特手性結構的物理化學基礎，并將相關研究應用到以下兩個方面：開發創新型藥物輸送策略，以跨越體內的生物屏障（如腦血屏障），實現藥物的高效輸送；建立新型固定酶、細菌和酵母的方法并用作生物催化，為生物燃料生產和環境修復提供新的策略。

其二，在深入理解水分子局部結構和屬性的基礎上，進一步揭示“固體表面的親水性和疏水性”的物理化學本質和分子相互作用基礎，理解表面與界面科學領域中這一關鍵的科學問題。應用該研究成果開發高效、廉價和可規模生產的濾膜或濾器，用于油/水分離和去乳化，解決石油回收、公用設施和工業廢水清理和油污補救的關鍵難題。

其三，研究水、離子和分子通過納米尺寸通道的界面性質，豐富人們對細胞體系離子通道功能相關的知識；并通過仿生的方法構建具有特殊微觀結構和界面性質的功能材料，為海水淡化膜新技術的發展提供開創性的靈感和方法。

最后，基于分子相互作用基本原理，創建簡單而精妙的方法，發展固液氣臨界條件下智能處理、回收和再利用市政和工業固體廢物、廢水和空氣污染物的方法，為工業、仿生工程和制造等方面的產出帶來指數增長，減少能源消耗及其對環境的不利影響，解決當今資源日益缺乏所帶來的社會和工業重大挑戰，為建設可持續發展的未來開辟新的途徑。

汪大洋對自己這4個方向工作的規劃很有條理，伴隨著學生們科研能力的提升，他開始將更多的期待寄托在學生身上。作為一名高校教師，汪大洋對自己的身份極具認同感。他認為，高校教師的首要目的就是培養學生，在做任何事情之前，都應該首先想到這樣做對學生有沒有好處？因為愛之深所以責之切，他平時對學生的要求很嚴，總是希望他們能夠挑戰自己，做到最好。他吝于當面對學生表達期盼，倒是常常開玩笑說：“我不認為自己能得諾貝爾獎，但希望我的學生能得這樣的獎。”

對于汪大洋這個“嚴師”來說，多少希冀與厚望都隱藏在這句話之中。畢竟，祖國下一個10年、20年的發展需要注入新生血液，離不開下一輩學生的共同努力。雖然多年置身海外，但似乎總有一根線在汪大洋和祖國之間牽著，他愿意將自己多年所學、所得反哺給母校，培養出下一代新人。艱難困苦，玉汝于成。面向未來，汪大洋和團隊會攜手向前，在祖國的大地上逐一實現心中的科研夢想。

指導學生

專家簡介：　　

汪大洋，吉林大學化學學院教授。國際膠體界面科學領域知名學者，英國皇家化學會會士（FRSC）。1998年在吉林大學化學系獲得高分子化學與物理專業博士學位，師從湯心頤、李鐵津、白玉白教授。1999年前往香港科技大學機械工程系David C.C.Lam教授研究組做博士后研究，1999年赴德國馬普膠體界面所Helmuth M?hwald教授領導的界面部工作，先在Frank Caruso博士的研究小組做博士后研究并于2000年獲得洪堡獎學金。2003年7月起在界面部擔任研究組組長。2010年—2015年在澳大利亞南澳大學Ian Wark研究所任物理化學終身研究教授，2015年7月起在墨爾本皇家理工大學任化工系終身教授。2016年獲聘中組部“**計劃”專家，同年8月起在吉林大學化學學院任特聘教授。

其主要研究方向包括：水、氣、離子和粒子的界面行為，表面潤濕和粘附，相轉移，粒子分散與聚集，界面相分離，界面催化，酶等生物材料的包埋，穿越生物界面的藥物傳送，環境治理和修復及廢物廢能資源再利用。截至目前已發表4個學術專著章節和130余篇高水平研究論文，其中30%以上發表在化學和材料科學領域頂級雜志上（影響因子>10），其中Angew.、Chem.、Int.、Ed.16篇，共被引用約6300次，H指數為45。

來源：科學中國人 2019年5月下