汇总：江雷院士和他的团队的研究成果精选

人物简介：

江雷，1965年3月生吉林长春，无机化学家、纳米材料专家，中国科学院院士 、发展中国家科学院院士、美国国家工程院外籍院士   ，中国科学院化学研究所研究员、博士生导师，北京航空航天大学化学与环境学院院长 。1987年江雷从吉林大学固体物理专业毕业后留在本校化学系物理化学专业就读硕士；1990年获得硕士学位后继续在校攻读博士学位；1992年作为中日联合培养的博士生公派去日本东京大学学习，师从国际光化学科学家藤岛昭；1994年获得吉林大学博士学位后继续在东京大学做博士后研究；1996年进入日本科技厅神奈川科学技术研究院工作；1998年获得日本文部省颁发的青年特别奖励基金，同年入选中国科学院百人计划；1999年进入中国科学院化学研究所工作；2001年获得国家杰出青年科学基金资助；2004年兼任国家纳米科学中心首席科学家；2008年兼任北京航空航天大学化学与环境学院院长；2009年当选中国科学院院士；2012年当选发展中国家科学院院士；2015年获第三届中国国际纳米科学技术会议奖；2016年当选为美国国家工程院外籍院士；2017年获得全国创新争先奖  。

主要从事仿生功能界面材料的制备及物理化学性质的研究，揭示了自然界中具有特殊浸润性表面的结构与性能的关系，提出了“二元协同纳米界面材料”设计体系。在超双亲/超双疏功能材料的制备、表征和性质研究等方面，发明了模板法、相分离法、自组装法、电纺丝法等多种有实用价值的超疏水性界面材料的制备方法。制备出多种具有特殊功能的仿生超疏水界面材料。

为方便大家快速预览近年来江雷院士和他的研究团队的科研成就，小编汇总了在材料人上宣传过的成果：

研究成果：

论文：高强Janus三维多孔膜成为“蓝色能源”的高效捕手

中科院理化所江雷研究员组及周亚红博士在离子盐差发电方面开展了系列工作，今日与吉林大学化学学院特塑中心的姜振华教授团队合作。通过分子功能性精确设计，制备了一系列表面电荷极性/电荷密度可调的功能化聚芳醚的离子型聚合物。基于此，作者制备了系列Janus三维纳米多孔膜，并将其利用于浓差发电，做“蓝色能源”的纳米转化器。通过混合模拟海水和河水浓度的离子溶液，实现了2.66 W/m2的功率密度，并在更高浓差下实现了5.1 W/m2的高功率密度。通过多膜串联，可以驱动计算器正常工作。这一成果以题为“Unique Ion-Rectification in Hypersaline Environment: A High-Performance and Sustainable Power Generator System”在线发表于Science Advances。(DOI: 10.1126/sciadv.aau1665 )。第一作者是吉林大学在读博士朱轩伯。

该工作通过分子控制实现了对三维多孔膜孔隙率及电荷密度的调控，多孔膜的孔径基本维持一致，并且通过简单的方法实现系列Janus膜的大面积制备。该系列膜都表现出良好的离子选择和整流性能，高的电荷密度打破了浓度对于整流的限制，避免了内部损耗，使得Janus膜在能差发电器件方面有非常不错的表现。基于聚芳醚本身稳定的分子结构，Janus膜也展现出优异的稳定性。通过多膜串联，可以驱动计算器正常工作。

链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/10/eaau1665

论文：“量子限域超流体”概念

中科院理化所的江雷院士将生物孔道中离子和分子以单链的量子方式快速传输定义为“量子限域超流体”，并指出限域孔道内离子和分子的有序超流为“量子隧穿流体效应”，该“隧穿距离”与量子限域超流体的周期相一致。结合该课题组近期研究成果（Adv. Mater., 2016, 28, 3345-3350；Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 129, 5814-5818），作者发现仿生体系也存在量子限域超流现象，例如人工离子通道和水通道内物质的快速传输（每秒~106个离子）。最后，作者在展望中指出，通过把量子限域超流体概念引入化学领域, 将引发出精准化学合成，即量子有机、无机、高分子反应等。而引入到生物学领域，将产生量子超流的生物化学、生物物理、生物信息学以及生物医学等。在此基础上，也将产生其他的新科学和新技术。文章以“Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial”为题发表在《中国科学材料》（SCIENCE CHINA Materials）上。

文献链接：Quantum-confined superfluidics: From nature to artificial（Sci. China Mater.,2018,DOI:| 10.1007/s40843-018-9289-2 ）

论文：用于高性能场效应晶体管的π-共轭聚合物/石墨烯复合材料的溶液制备法

来自中国科学院理化技术研究所的江雷院士，吴雨辰博士以及北京师范大学的朱嘉副教授（共同通讯作者）等人在近期的Advanced Materials期刊上发表了一篇题为“Solution Adsorption Formation of a π -Conjugated Polymer/Graphene Composite for High-Performance Field-Effect Transistors”的文章。文章主要介绍了一种构建π-共轭聚合物/石墨烯复合材料的方法，这种方法可以避开现有的限制并将材料图案化为一维阵列。基于π共轭体系，可以减小石墨烯和聚合物之间π - π堆积的距离，从而提高电荷传输性能。而由于掺入了石墨烯，复合材料显示出了热稳定性。一般认为，π-共轭复合物的构建表明通过设计制造大面积、低成本、高效率的功能器件将有机分子和二维材料整合到微结构阵列中是可行的。

文献链接：Solution Adsorption Formation of a π -Conjugated Polymer/Graphene Composite for High-Performance Field-Effect Transistors.（Adv. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adma.201705377）

论文：宏观形状调控实现超疏水PMMA表面高效气泡黏附
江雷院士(通讯作者)和于存明博士（通讯作者）等人在Adv. Funct. Mater.上以题为 “Morphology-Control Strategy of the Superhydrophobic Poly(Methyl Methacrylate) Surface for Effcient Bubble Adhesion and Wastewater Remediation”发表了不同形状的超疏水聚甲基丙烯酸甲酯片对于气泡黏附和在水环境中负载臭氧降解甲基蓝的研究成果。由于臭氧本身在水中的溶解度差，不利于臭氧对水体的净化，本文利用微气泡在超疏水表面的黏附作用，实现了气泡在水相环境中的长时间停留，并在有机染料污染物的降解方面得到了较好的应用。

文献链接: Morphology-Control Strategy of the Superhydrophobic Poly(Methyl Methacrylate) Surface for Efficient Bubble Adhesion and Wastewater Remediation (Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201702020)

论文：仿生荷叶-超亲水表面与超疏水表面结合的Janus界面材料

天津大学曹墨源副教授和北京航空航天大学及中科院理化所江雷院士（共同通讯作者）等人在期刊Advanced Functional Materials上以“Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf”为题报道了一种非对称的具有两面超浸润性的界面材料。作者学习荷叶，制备出上表面超疏水下表面超亲水的铜片，作者称之为“Janus铜片”（即两面神铜片）。这种Janus铜片能够稳定的“固定”在空气/水界面上，表现出稳定的界面漂浮性。与同样能够漂浮的超疏水基片相比，Janus铜片不仅能够漂浮，甚至能够如固定一般附着在空气/水界面上；同时在诸如己烷-水和CCl4-水等多相界面上表现出相似的性质。Janus铜片具有显著增强的稳定性和抗旋转特性，能够像船只一般具有水面航行能力，即使是在湍急的水流中；也能抵御强风，甚至征服“瀑布”。这一发现为Janus界面材料找到了新的突破，也扩展了具有超浸润性的两性材料的应用范围。

文献链接：Improved Interfacial Floatability of Superhydrophobic/Superhydrophilic Janus Sheet Inspired by Lotus Leaf(Adv. Funct. Mater.,2017,DOI:10.1002/adfm.201701466)

论文：超浸润膜实现离子液体/水的有效分离

中科院理化技术研究所江雷院士、刘洪亮博士（共同通讯）在Advanced Functional Materials上发表题为“Membrane-Based Strategy for Efficient Ionic Liquids/Water Separation Assisted by Superwettability”的文章。研究人员基于本征浸润阈值理论，通过对材料表面自由能的调控，制备了一种疏水且超亲离子液体（C4MImPF6）的多孔膜来实现重力驱动下非互溶IL/水混合液的高效分离。对于膜分离技术而言，最重要的两个指标为截留选择性和分离流速：以600目不锈钢筛网为基底的多孔膜为例，膜对混合溶液的分离效率大于98%，离子液体的渗透流速超过1000Lm-2h-1。

文献链接：Membrane-Based Strategy for Efficient Ionic Liquids/Water Separation Assisted by Superwettability （Advanced Functional Materials，2017，Doi: 10.1002/adfm.201606544）

论文：基于DNA的仿生光控离子传输通道



中科院理化技术研究所&北航的江雷院士，理化所的闻利平研究员和Kong XiangYu（共同通讯作者）等人利用含偶氮苯的DNA（Azo-DNA）束的自组装，研发了一种可用于控制离子传输的光控纳米通道。在可见光和紫外光的分别作用下，偶氮苯发生了构象间的相互转化，实现了DNA的收缩和放松状态的光控转换，从而实现通道的打开与关闭，因此Azo-DNA可以被用作制备光控阀门的控制单元。Azo-DNA通道可以在可见光（450nm）的照射下打开，然后在紫外线（365nm）的照射下关闭。通过对荧光团以及磺基-罗丹明B分子的释放实验，验证了这种DNA纳米通道具备光控分子传输性能。除了响应时间短、具有可逆性之外，Azo-DNA纳米通道系统还具有良好的生物相容性和多功能设计，可以被用在光控药物释放、光信息存储和逻辑网络等方面。

文献链接：Light-Controlled Ion Transport through Biomimetic DNA-Based Channels（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, DOI: 10.1002/anie.201609161）

论文：基于特殊可浸润聚四氟乙烯膜实现化学反应体系的原位分离



中国科学院化学研究所江雷院士、田野副研究员（共同通讯作者）等人在Advanced Functional Materials期刊上发表了题为“In Situ Separation of Chemical Reaction Systems Based on a Special Wettable PTFE Membrane”的文章。文中，研究人员通过使用具有特殊润湿性的无涂层PTFE微孔膜提供具有大分离通量和高产品纯度的化学反应体系的连续原位分离，这种膜在空气中具有高疏水性/亲油性、在水下具有超高亲水性，且在恶劣环境也具有良好耐久性，首次成功实现了产物边合成边分离的过程。

文献链接：In Situ Separation of Chemical Reaction Systems Based on a Special Wettable PTFE Membrane （Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201703970）

论文：“Slippery”形状梯度表面用于高压环境下的气泡的定向及连续输运



北京航空航天大学江雷院士团队的于存明博士研究小组与天津大学的曹墨源副研究员课题组合作，通过激光切割、超疏水纳米粒子修饰、氟化液浸润等方法制备了具有形状梯度的Slippery表面，实现了高压环境下气泡的定向及连续输运。相关研究论文近期发表于ACS Nano期刊上，第一作者为北京航空航天大学化学学院本科生张春晖。

文献链接：Bioinspired Pressure-Tolerant Asymmetric Slippery Surface for Continuous Self-Transport of Gas Bubbles in Aqueous Environment.（ACS Nano，2018，DOI: 10.1021/acsnano.8b00192）

论文：仿生合成多肽门纳米薄膜用于灵活的分子运输



中国科学院理化技术研究所、中国科学院大学江雷院士、闻利平研究员与延安大学张玉琦教授、中国科学院理化技术研究所Kong XiangYu（共同通讯作者）等人在可控的分子运输方面取得进展。通过将肽链CGGC引入多孔生物膜中，利用肽链CGGC在二硫苏糖醇（DTT）或氧气作用下发生构型转变来实现孔道的开合，从而构建了可控的分子运输系统。此项研究成果以“Biomimetic Peptide-Gated Nanoporous Membrane for On-Demand Molecule Transport”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

文献链接：Biomimetic Peptide-Gated Nanoporous Membrane for On-Demand Molecule Transport（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201708695）

论文：润滑液灌注各向异性多孔还原氧化石墨烯膜——导电液滴电驱动控制



北航江雷院士课题组衡利苹（副研究员）在Adv. Funct. Mater. 发文，题为“Lubricant-Infused Anisotropic Porous Surface Design of Reduced Graphene Oxide Toward Electrically Driven Smart Control of Conductive Droplets’ Motion”，作者以导电多孔还原石墨烯（rGO）膜为基体灌注不同的润滑体（导电和非导电）制备了两种新型的各向异性膜材料，用于研究其各向异性自清洁能力及材料表面液滴运动电响应的影响因素和机制，填补了该方面机理研究的空白。

文献链接：Lubricant-Infused Anisotropic Porous Surface Design of Reduced Graphene Oxide Toward Electrically Driven Smart Control of Conductive Droplets’ Motion（Adv. Funct. Mater. 2017,  DOI: 10.1002/adfm.201606199）

论文：受蚊子嗅觉神经元启发的一种由CO2驱动的人造离子开关

2016年10月27日，Advanced Materials网站在线发表了题为"An Artificial CO2-Driven Ionic Gate Inspired by Olfactory Sensory Neurons in Mosquitoes"的文章。该文章是由中科院理化所江雷院士研究团队的闻利平研究员和西北工业大学的田威教授合作完成。文章第一作者是西北工业大学的尚筱萌以及中科院化学所的谢柑华二位同学。在这篇快讯（communication）文章中，研究人员报道了一种受嗅觉神经元启发，利用CO2驱动的离子开关，它是通过结合单锥形纳米通道与对CO2响应的分子APTE来实现的。

本文中研究人员报道了一种受嗅觉神经元启发，利用CO2驱动的离子开关，它是通过对单锥形纳米通道修饰对CO2响应的分子APTE来实现的。CO2溶解在水中形成碳酸根离子，通过选择性地与APTE结合，来触发和调控离子开关。通过调节纳米通道内壁的表面电荷和润湿性，这种离子开关可以精确控制离子运输，具有高达1250的超高开关比。

文献链接：An Artificial CO2-Driven Ionic Gate Inspired by Olfactory Sensory Neurons in Mosquitoes (Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201603884)

论文：完全润湿液体在仿生表面的单向运输



受到液体在翼状猪笼草开口部表面自发单向运输机制的启发，中科院理化技术研究所李储鑫和李宁（共同第一作者），董智超和北京航空航天大学的陈华伟（共同通讯作者）等人在江雷院士指导下利用高分辨立体光刻技术制备了具有不同表面能的微空腔阵列来模拟猪笼草开口部的表面形貌。这种表面在没有能量输入的情况下可以实现单向的液体运输，具有不同表面张力和粘度的液体都可以在上面单向运输。作者还研究了单向运输的机理，并且利用这种机制成功使液体在螺旋中向上流动。

文献链接：Uni-Directional Transportation on Peristome-Mimetic Surfaces for Completely Wetting Liquids（Angew. Chem. Int. Edit.，2016，DOI:10.1002/anie.201607514）

发表的综述:

综述：纳米通道浸润性与应用



中科院理化所江雷院士（通讯作者）和张锡奇副研究员（第一作者）在Advanced Materials上发表了题为“Wettability and Applications of Nanochannels”的综述。在该综述中，首先介绍了“量子限域超流体”的概念，其可以用来理解纳米通道中超快物质传输和非连续流体行为。然后，作者分别系统地总结了一维、二维和三维纳米通道的浸润性研究，并从分子模拟、液体浸润性、外部刺激调控浸润性、熔体和液体浸润限域策略、液体传输和限域纳米材料制备等方面对纳米通道浸润性与应用进行论述。作者在综述的最后展望中指出，“量子限域超流体”概念能够为解释纳米通道中非连续流体行为提供新的思路，并将引发一场量子限域化学的革命。

文献链接：Wettability and Applications of Nanochannels  (Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804508)

综述：超润湿系统



北京航空航天大学的江雷院士（通讯作者）等人在Nature Reviews Materials上发表了题为“Nature-inspired superwettability systems”的综述文章。在本文中，作者详细介绍了超润湿系统的历史发展，并总结了超润湿系统中各种组合的超润湿状态，还介绍了超润湿材料的自然设计原理。超润湿系统可以从2D表面扩展到0D纳米颗粒，1D纤维和通道以及3D集成材料。同时讨论了新的现象和超润湿性系统对于化学反应和材料制造的优势，包括利用单一极端润湿状态或组合和两种极端润湿状态的新兴应用。最后，提供了未来的研究方向。

文献链接：Nature-inspired superwettability systems（Nat.Rev.Mater.,2017,DOI：10.1038/natrevmats.2017.36）
信息来源：材料牛