膠體與界面化學研究進展
——郝京誠教授及其團隊專訪

《物理化學學報》編輯部

北京大學化學與分子工程學院，北京 100871

膠體與界面化學是研究分散體系的物理化學性質和界面現象的科學。該學科與實際生活結合緊密，并與其他學科密切相關，其基本原理在物理化學的各分支學科中最具基礎性、理論性和應用性。

我們有幸采訪了膠體與界面化學領域學者，《物理化學學報》“膠體與界面化學”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，特別是表面活性劑物理化學方面的研究經歷，介紹了相關領域國內外的研究現狀，以及納米材料化學和超分子化學等新興交叉領域的發展，對先進表征技術的快速發展和理論化學的進步對膠體與界面化學的基礎和應用研究的助推作用進行了評介，并對我國在膠體與界面化學領域研究中所面臨的一些重要問題進行了分析，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？您從什么時候開始從事膠體與界面化學方面的研究？

回答：我從1987年做本科論文時就開始與膠體與界面化學結緣，這些年來一直從事表面活性劑合成和物理化學方面的研究工作。在碩士研究生階段，師從山東大學化學與化工學院沈靜蘭教授，論文的研究內容是“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)協同萃取鈾的熱力學研究”；1993年開始攻讀博士學位，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上發表了英文文章“尿素對膠束溶液微環境影響的ESR研究”；1997年博士畢業之后，分別在日本名古屋大學、德國Bayreuth大學物理化學I和美國紐約州立大學實習分校從事STA、洪堡學者和博士后研究，一直開展先進表征技術如冷凍蝕刻(Freeze-fracture)和低溫(cryo-)透射電子顯微鏡(TEM)、動態光散射(DLS)對膠體分散體系，特別是表面活性劑溶液聚集結構材料和應用的研究。

問題2：請介紹一下您所在的山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室和您的研究團隊在膠體與界面化學領域取得的主要成果。

回答：山東大學膠體與界面化學教育部重點實驗室是我國建立的第一個膠體與界面化學研究所和教育部重點實驗室，主要研究內容涉及到表面活性劑科學與理論模擬、納米結構和生物界面材料、油田化學品設計與應用。老一代膠體與界面科學家為實驗室發展奠定了基礎，實驗室已成為我國膠體與界面化學研究的人才、高技術原創性成果的培育基地。

我的研究團隊一直從事膠體與界面化學科學理論和相關重大共性關鍵技術的創新研究，同時也承擔著基礎教學和人才培養工作。在膠體分散體系的理論與表面活性劑制備技術和應用等方面做出了突出貢獻，主要科技成果包括：1)發現了表面活性劑零膜電荷層狀密堆積囊泡新結構，基于曲率能計算，闡明了其形成機理；設計了避免外界能量引入的水解質子化反應，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中層狀相向囊泡轉換過程中存在長期爭議的科學問題。2)發現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系，闡明了向列相液晶長期穩定存在的機制，建立了該類凝聚態軟物質的限域制備新方法。3)依據毛細作用力和Young-Laplace附加壓力計算，揭示了吸附、自擴散、電控制表界面有序多孔材料形成的理論，描繪了表界面結構與性能之間的關系規律，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領域最近幾年的重要進展。

回答：近年來，由于納米材料化學和超分子化學的融入，極大地助推了膠體與界面化學的發展，研究方向也由早期的單分子LB膜等轉向了“膠體分散體系設計、新技術表征和新理論創新及應用”，膠體與界面科學家發現了碟狀膠束和離子配位限域絲狀向列相液晶等新穎結構，利用同步輻射中子散射實現了對結構的表征和性能的實時調控。膠體分散體系在能源、催化、生物醫藥等領域的應用方面也涌現了大量的創新性研究成果。膠體與界面科學新術語、新理論不斷出現，如復雜流體和軟物質、動態相互作用(非平衡、時間和速率依賴性)等，計算機技術的飛速發展使準確模擬復雜體系成為了可能，驅動了許多尚未理解或正在感知的新理論模型的產生等。

問題4：目前我國膠體與界面化學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家的努力下，我國膠體與界面化學發展迅速，在膠體分散體系與界面化學領域的研究中取得了突破性進展，很多結果得到了國際同行的關注和認可，極大地提升了我國在該領域的學術地位。需要指出的是，由于國內學者更加關注納米材料、能源、生物醫藥等新興領域的前沿研究，相較于國際上在膠體與界面化學領域的研究，研究方向有所偏移。但國內仍然有很多團隊堅守在膠體與界面化學的應用基礎研究領域，相關研究結果走在了世界的前列。因此，我們應當注意將新興方向與傳統研究領域并重，并進行有機結合，使這一傳統學科煥發出蓬勃的生命力。

問題5：膠體與界面化學領域有迫切需要突破的卡脖子技術嗎？請您分析一下膠體與界面化學領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成果，仍然受到表征技術不足和新理論欠缺的局限，理論創新落后于實際應用。然而，越來越精致的表征技術如同步輻射中子散射和低溫電鏡用于實時監測，以及計算機計算能力的提高，對膠體分散體系的制備和工業過程的理論指導都能產生重要的促進作用。因此，對膠體分散體系的新穎表征技術和新膠體理論、結構與性能之間的構效關系等需要進行深入系統的研究是膠體與界面化學領域面臨的一些重要問題。

問題6：我國膠體與界面化學在哪些方面獲得了實際應用？

回答：膠體與界面化學是最密切結合生產生活實際、理論性和實際應用性極強的學科，并與其他學科息息相關，相關的研究成果對生物醫藥、材料、環境和能源等產業化領域的發展起到了重大的促進作用。如陜西師范大學的高性能敏感薄膜與傳感器技術，針對隱藏爆炸物、毒品和某些有毒有害化學品研制出當今最高水準的薄膜基熒光傳感器和檢測設備，并與深圳礪劍防務技術集團建立了深圳礪劍防衛技術有限公司，推出了多個型號爆炸物熒光探測設備、毒品熒光探測設備，銷售額超過1.77億元，納稅超過2300萬元。他們的產品在十九大、G20峰會、博鰲論壇、上海進博會、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或重要場所的安全保衛中發揮了重要作用。中國科學院化學研究所在超臨界流體體系的設計和應用，特別是實驗方法與技術，以及分子馬達自組裝方面達到了國際領先水平，是典型的基礎研究與綠色化學反應和技術開發相結合的產物。山東大學創新性地提出了結構響應型表面活性劑合成新工藝，實現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用于油田開采中的清潔壓裂液，實現了關鍵油田化學品開發與產業化，提升了產業競爭力；同時，突破了分離提純、產品純化的關鍵技術，開發出超低界面張力、耐強堿、可降解、生物相容的鼠李糖脂類表面活性劑發酵法綠色生產工藝，完成了鼠李糖脂類表面活性劑1000 噸/年的生產示范，為我國基礎材料產業化提供了新策略。

問題7：您可否預測和分析一下膠體與界面化學的現狀、發展方向？

回答：納米材料化學和超分子化學等新方向的融入，特別是膠體分散體系現代表征技術的利用，極大助推了膠體與界面化學的發展。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對不同尺寸、維度、形貌、功能的膠體分散體系實時調控表征，已取得一系列基礎研究成果，在實際應用中也獲得了重要效果。未來的發展需要集中膠體與界面科學領域的研究力量，發展兩親分子聚集體新體系的新理論和規律，實現膠體分散體系實驗方法、實驗儀器的創新，并在新膠體組裝材料的制造、分散體系與生物醫學等重點領域進行系統布局，對有優勢和引領作用的研究方向強化支持，解決膠體與界面化學中若干重大共性和基礎性問題。面向能源、環境、健康等可持續發展領域，充分發揮膠體與界面化學在經濟、社會發展中的引領作用，從基礎研究中產生變革性技術，帶動和支撐相關產業的發展。

問題8：您對功能膠體與界面化學的學科發展有哪些期望？

回答：我有以下幾點期望：1)更加注重膠體與界面化學應用研究及產業化，聚焦培養一批從事膠體與界面化學基礎研究的青年力量；2)由單一學科向多學科交叉、融合的方向發展；3)由獨立工作向集成化和國際化方向發展；4)更加重視膠體理論和實驗手段與儀器的研發；5)以膠體與界面化學的基本原理為基礎，向環境、能源和生物醫藥等方面的應用拓展。

問題9：您對準備從事膠體與界面化學研究的青年學者有何建議？

回答：我的建議如下：1)選準研究方向。膠體與界面化學是一個涉及化學、物理、生物和材料科學多學科交叉的傳統領域，但其基本概念和原理滲透到生活和工業的方方面面，青年學者應該系統深入地了解該領域的國際前沿發展方向以及國家的現實需求，掌握膠體新體系的精準構筑及其應用中的重要進展、面臨的難點和挑戰性問題，選定自己感興趣的研究方向。2)勤奮努力。青年學者應該在自己的研究方向上長期堅持不懈的努力，耐得住寂寞，保持與國內外同行的學術交流，提升自己對研究領域中關鍵科學問題的理解。3)不盲從熱點，破除對影響因子的追求。大家在了解國際前沿的發展的時候，要有自己獨立清醒的判斷，能夠客觀評價相關方向的發展，不盲從追尋科研中的熱點方向，要保持科研初心。4)瞄準重大需求。從長遠來看，科研在推動科學不斷發展和完善的同時，能否將其應用于實際生活，把自己的研究成果展現在祖國的大地上，服務于社會，是大家需要不斷關注和思考的問題。