水既是重大民生关切,更是未来科学前沿

胡钧-纳米气泡

   胡钧 教授

男,博士生导师,生物医学工程专家

上海交通大学“长江学者奖励计划”特聘教授

中科院上海应用物理研究所副所长

中科院微观界面物理与探测重点实验室常务副主任

导言

这个世界上或许很少有一样物质像水那样,与人类的关系如此紧密,但迄今人们对它的本质的了解仍极其有限。

自然科学的门类已经发展到数以千计,与水有关的应用研究分支也难记其数,但以水为研究对象的学科——水科学却迟迟未能确立。

尽管如此,在世界、在中国一直有一批牵挂“水”并倾力推动水科学研究的学者。

在这些钟情水研究的学者中,中科院上海高等研究院、中科院上海应用物理研究所的胡钧研究员应是最执着的一位。

得悉他刚从北京参加完杨国桢院士主持的中国水科学发展战略研究研讨会回到上海,本刊“大家·科技前沿”栏目专访了胡钧,请他介绍水科学研究的近况及其价值。

 

本文转载自【大家·科技前沿】栏目    作者:江世亮

 

Q  什么是“水科学”?其主要研究的是什么?

A  回答这个问题,我想引用前不久在北京中科院物理所召开的水科学发展战略研究研讨会会议纪要上一段话:

水是自然界基本而重要的物质,也是人们研究最多却仍不完全理解的物质。

相对于宏观层次上与社会问题密切相关的水资源、水污染、水利用等环境科学与工程研究,关于水的分子层次上的基础科学研究刚刚兴起,目前还不为人们所熟悉。

在科研活动中,从分子层次上讨论水及水与各类物质的相互作用的理论和实验研究是当前科学研究的重要前沿,是物理、化学、生物、医学、环境等多学科发展的基础;

在实际应用中,不管是在关乎基础民生的水净化方面,还是在作为高科技发展的可再生能源获取和利用方面,水科学基础研究都起着关键作用。

目前制约社会发展的一些关键能源、环境、医药等问题,都可望从水基础研究中找到解决方法。

然而这些方案投入大规模应用的瓶颈问题是缺乏价格低廉、高效率的材料和器件,亟需从基础科学的层面,特别是水与物质界面相互作用机理方面寻求突破。

以上表述也是这个会上大家对水科学研究的意义形成的共识。

 

Q 您因何种机缘开始涉足水科学研究?

A  我关注与水有关的研究已有20余年。

90年代受中科院公派,我到美国劳伦·伯克利实验室做为期两年的高访研究,回国后就想做纳米水层的工作,申请了基金委一个面上项目,但可能过于超前,申请未果。

当时国家对阳光、空气的前沿研究都有战略布局,但还没有系统的水科学国家项目。

这可能是因为当时比较大的科研立项一般是要看国际上有没有人做过这方面的课题,而水问题在发达国家不像中国那么迫切和重要,他们没有列入自己国家的重大科技战略,这样国内立项也就没有经验可循。

当时有领导提出,中国要自己开创一个科学研究领域,我们行吗?这种缺乏自信的情况到2005年前后有所改观。

随着国内前沿基础的投入增加,大家可以更普遍地开展国际前沿研究工作了,包括纳米水层在内的一些与水相关的研究课题也得到了资助。

2007年底,我所在的中科院上海应用物理所召开了首次水科学讨论会,吸引了国际上20几个领域内的大牛参会,会议讨论激烈精彩,特别对水的结构有很大争议,这种激烈争论的氛围对国内参会者震动很大。

此后,通过杨国桢院士和沈元壤院士等一批有较大影响力的资深科学家的支持和推动,时任中科院领导同意立项先行支持,以期把国内水科学研究的队伍建立起来,这也是中科院当时较少的纯基础科学研究的重大项目之一。

后来在大家的努力下,也得到了国家基金委重大项目的支持。

 

Q 您一开始提到的纳米水层课题,也是水科学研究的内容吧,能否介绍一下?

A 所谓纳米水层研究就是从纳米这个层级上研究水的一些新现象,进而加深对水的本质的理解。

我早期发现纳米水层可以呈现“室温下结冰”的新现象,而最近几年的工作集中在纳米气泡方面。

这个课题从22年前一个朦胧的想法,如今已拓展到一个正在形成的实实在在的科学前沿领域,而且是主要由中国科学家积极推动、并开始得到多个国家科学共同体响应的新领域。

纳米气泡这一现象是1996年初我在做单分子表面成像时,为了得到高分辨率,在去掉两层细胞膜中的一层时发现的。

这种纳米级气泡在实验中稳定存在,在原子力显微镜下能看到,这与传统理论认为的“纳米级气泡是不稳定的”相悖。但为什么它的存在迄今为止理论上仍给不出合理解释?

窥见到这一独特而陌生的现象,我很兴奋。

1999年在首尔参加国际会议时,我展示了纳米气泡的图像。2000年这个工作发表在美国《真空科学与技术》杂志上,这也是这个领域直接观测到纳米气泡的第一篇文章。

后来日本、澳大利亚科学家也先后报道了纳米气泡的工作。2004年,我在交大的博士生张雪花又用真空脱气方法更系统地重复了这一实验,进一步肯定了纳米气泡的存在,发表了影响力更大的文章。

2004年,我在一次中德交流会上介绍了纳米气泡的工作,一个与会的德国科学家很兴奋,他对氧气如何有效进入细胞很关注,因为氧气快速有效进入细胞对治疗癌症非常有价值。

原来大家设想是否存在有氧气进入细胞的膜通道,但相关研究进展不大,而纳米气泡或许能开辟一条氧气进入细胞的途径。

这样,陆续就有在澳大利亚、德国、中国的科学家开始研究纳米气泡,并逐步形成了一个纳米气泡研究的小领域。

2012年、2014年、2017年和2018年先后在法国、中国上海、澳大利亚和中国苏州召开过4次纳米气泡国际会议,现在纳米气泡领域每年论文发表量已达到百篇以上。

在2014年的国际会议上,我提议筹建纳米气泡国际学术组织为大家所接受,目前这个国际纳米气泡学会(筹)已开展活动。国内也成立了中国微纳米气泡技术委员会。

如果说水科学的工作目前还处在基础研究的早期阶段,但水与界面领域的纳米气泡研究已经更接近于实用,而且这个领域目前中国可能领头,一个重要的原因是中国现阶段的发展对纳米气泡的应用需求更大。

 

Q经过这些年的酝酿、推动,我国水科学目前的情况如何,是否已到了发力阶段?

A在各方的努力下,水科学方面的工作在中国渐见雏形。这主要得益于一批德高望重的科学家的支持,我很感动。

由于这是很前沿的研究,发达国家都还没有重大计划,所以我们无法参照,缺乏可借鉴的经验,需要自己一步步探索。

水科学对中国的意义又特别重大,因此早晚会成为一个主流科学,这已成为这个领域更多研究者的共识。

接下来如何具体推进需要从不同层面着手,我觉得至少要考虑与解决真问题结合起来,即水科学的前沿研究要与当下水治理的真问题挂钩。

如果能通过水科学研究对水的理解更深入,从而对水污染治理产生一些颠覆性技术的话,那么水科学的地位提高和受重视就是水到渠成的事。

譬如无论纳米水层、还是纳米气泡,都是试图揭示自然现象背后规律的同时关注现实:现在水体底部缺氧是大问题,河道变臭,珊瑚礁死亡已是世界性难题。

以往人们把氧加到水底以期改变水体污染的努力之所以见效甚微,其原因在于氧很难进入水底且长时间固定,又不对生态造成太大的干扰。

纳米气泡原理上可以解决这些问题,200纳米以下的气泡基本上可以忽略浮力的影响,可以在水下以布朗运动随意扩散。

我们实验室和其他实验室的小试结果很成功。相信通过产业界的介入,会使这一技术加快成熟,用于水体底泥原位修复,而且几乎不用化学材料。

2018年10月结束的第4届纳米气泡国际会议上已达成共识,认为纳米气泡有可能成为水体修复的颠覆性技术。

2018年10月30日北京水科学发展战略研究研讨会上,与会专家形成了一份《关于加强水基础科学研究和学科发展的政策建议》初稿,提出加强对水基础科学研究的重视、支持和宣传,组建水科学研究中心,建立水科学人才培养体系和加强水科学的国际合作等具体任务。

这也是国内科学共同体对水科学的明确支持。

我在这里也想借此发出呼吁,希望有更多对水科学感兴趣的人一起参与其中。

目前已经到了这样一个阶段,即由中国科学家领头开创一个新方向、新领域正在变得越来越可行,也越来越重要。

这样坚持数年、几十年,中国科学一定会走到前面。

我们期待着这一天的早日到来。