Wiley人物访谈——中科院理化所郭维研究员

本周WILEY人物访谈我们对话中国科学院理化技术研究所郭维研究员。郭老师是纳米孔道和纳米流体研究领域的资深学者,访谈中,他为我们分享了自己“跨界”的成长经历和中国纳米孔道研究的崛起。谈到科研风格,郭老师介绍了他所追求的是开辟新的研究方向,并做出自己的特色,“不跟风,不唯上,不唯书”。最后,郭老师鼓励青年学子把握机遇,以只争朝夕的态度去追逐梦想。

人物简介:

郭维,中国科学院理化技术研究所研究员,博士生导师。1982年生于北京,成长于军队科研机构大院,2009年于北京大学物理学院获得博士学位,同年进入中科院工作,先后任职于化学所和理化所,从助理研究员一路干到研究员。2015年获基金委优秀青年科学基金资助,中科院卢嘉锡青年人才奖获得者,青年创新促进会优秀会员,北京市科技新星。他在纳米孔道和纳米流体 (nanopore and nanofluidics) 领域潜心深耕16年,在基于人工离子通道的先进能量转换体系方面取得系列代表性成果,是该领域公认的资深学者,屡次成为顶级学术期刊的首选审稿人。他的研究兴趣集中在纳米及亚纳米尺度上新颖的输运现象,和受生物启发的能量转换。研究方向见课题组主页:

http://id.sciencenet.cn/index.php?s=/Index/base/user/%E9%92%BB%E7%9F%B3%E6%98%9F%E8%BE%B0

求学问知

MVC: 我们了解到您是一位从物理跨界到化学和材料领域的学者,请谈谈您的感受。

GW:我的专业背景跨度确实比较大,上学时候一直学的是物理。本科最后两年,我对凝聚态理论感兴趣,毕业论文做的是“层间反铁磁耦合的2+L维伊辛模型”。研究生专业变成了核物理与核技术,主攻方向是用辐射的方法在固体材料上制备纳米尺度的孔道,研究穿过孔道的离子输运。偏物理的研究体系比较骨感,但为我后来的工作打下坚实的基础。在化学所参加工作后,周围的老师和学生都是搞化学的。对各类分子材料的接触,极大地开阔了我的眼界。我尝试将它们融入到原有的研究体系,发现材料的世界原来可以如此丰富多彩。我曾用一句话来概括跨界的科研:“物理”是骨头,“化学”是肉;做出来有用的东西,就叫“材料”。欣喜之余,我也深切体会到,如果走别人的路,我永远也干不过科班的化学家们。想要生存,工作必须有自己的特色。从这一原则出发,我要求自己得比别人思考的更深入,每个工作都尽量能在机理上有一些突破,而不仅是换一种材料的尝试。发现了新机理,意味着打开了一扇门,后面会有更多人跟进来,愿意读你的文章。我喜欢做这样的工作。

MVC: 在您的职业生涯中,感到最有成就感的是什么?

GW:是中国纳米孔道研究的崛起。我们国家从完全没有这个研究方向,到中国纳米孔人的工作能够得到世界同行的认可,我们艰难经历了从创业、跟跑、陪跑,直到今天在一些领域的领跑。曾经的外国老师变成竞争对手,后来他们也反过来向我们学习。星星之火可以燎原,这是一场令人激动的变革!

我进入这个领域是2005年,当时美、欧、俄的科学家是主流,根本听不到中国人的声音,我们算是国内最早进入该领域的研究者。2008年前后,中科院化学所的江雷老师杀入这一领域,我们是他的第一批合作伙伴。此后,越来越多国内同行加入进来,中国纳米孔道研究的火种逐渐显现。

中国纳米孔同行的第一次非正式聚会是2013年在德国举办的一次暑期学校。当时南京大学的龙亿涛老师,东南大学的陈云飞老师,浙江大学的罗孟波老师等课题组都有派员参加。会议主席Mathias Winterhalter教授听完我的报告,在大会现场说:“早知你们有这么精彩的工作,我就应该把你的报告安排在会议第一天” (我的报告是在最后一天)。那次聚会,我们第一次喊出“中国纳米孔人团结起来”

现在,中国的研究力量得到国际同行认可。去年,龙亿涛老师牵头主办首届“纳米孔电化学国际研讨会”。Nature Chemistry为此出了专栏报道。我刚得知要办这个会时,激动得热泪盈眶,感觉自己十多年的努力都是为了这一刻在做准备。

MVC: 确实令人振奋。在这个过程中,您的学术贡献在哪里?

GW固体纳米孔道离子学的研究兴盛于2001年美国科学家在硅基材料上制备出纳米尺度的小孔。而利用离子辐照的方法在高分子材料上造孔则能追溯到更早。我研究生第二年进入该方向,那时真是从零开始,我们将废弃的离子注入机拆掉,建了北大核学科的第一间纳米实验室。当全世界90%的纳米孔研究者都在做DNA测序时,我们并没有跟随潮流,坚持走了非对称输运这条完全不同的路。

后来,江雷老师找到我们寻求合作,希望把他们擅长的刺激-响应界面做到纳米孔里。江老师是总设计师,我和地质大学的夏帆,有幸成为第一拨践行者。我们合作的第一篇文章发表于JACS,还被Nature选为研究亮点。从这开始,刺激-响应纳米孔道成为一个世界性的热点领域,后来被称为“仿生智能离子通道”。

在读博的最后一年,我提出用固体纳米孔做盐度差发电,并将之与电鳗放电原理相联系,以小幅牺牲选择性为代价,将跨膜传输的通量提升了1-2个量级,从而显著提升了输出功率[Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1339]。由此开辟了新方向,十多年过去了,现在全世界每年仍有近180篇文章,从事相关的实验和理论研究,其中有约30%会引用到我这篇开山之作。

该领域蓬勃发展的同时,我们也深切认识到问题和瓶颈。单孔有吸引眼球的指标(103-106 W/m2)。但到了多孔,性能就下降很多(<10 W/m2),难以实用。深入理解这巨大差异背后的科学问题,对正确认识和评价盐度差能转换方法,设计高性能膜材料有重要意义。因此,我们在点亮实际用电器之后[Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1603623],就不再轻易尝试其他材料,转而去做深入的理论分析。前后发表6篇文章,建立适合多孔体系的计算方法,指出瓶颈源自出口的浓度极化和孔外的界面电阻,功率密度的极限在百瓦每平方米量级,为该领域的理性发展指明了方向。

最近,我们将研究重点转向人工体系的主动输运。在二维纳米流体通道膜中,将光照的能量变成抗梯度输运的驱动力[Nat. Commun. 2019, 10, 1171; Adv. Mater. 2019, 31, 1903029; Adv. Mater. 2021, 33, 2007529]。这一次,我自己成为总设计师。国际上与我们同场竞技的有包括诺贝尔奖得主Andre Geim,MXenes的发现人Yury Gogotsi等在内的十余家顶级科学家团队。当同行们还在把二维层状材料当滤膜用,想办法调控层间距的时候,我们着眼垂直与平行两个传输方向的耦合,走出一条有自己特色的新路

MVC: 光产生的主动输运很有意思,它对现有的二维膜体系有哪些实质突破呢?

GW:由二维材料自组装形成的多层膜,包含有大量纳米和亚纳米尺度的离子、分子、和流体通道。它自问世以来 [Nature 2007, 448, 457; Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 101],一直被当作过滤膜使用。然而这种分离体系仅利用了二维多层膜的空间受限特性,与其它过滤材料相比,并无不可取代的优势。我们现在的工作,深入挖掘二维材料的光电特性,并与跨膜物质传输相结合。“把滤膜当成半导体来用”,是对膜分离体系的本质突破,也是我们工作的指导思想。

MVC: 在您众多优秀工作中,能否为我们介绍一篇最得意的代表作?

GW:我推荐一篇2020年发表在Advanced Materials的文章,他建立了一种利用二维离子通道异质界面脱盐的新方法[Adv. Mater. 2020, 32, 1903954]。采用双流体抽滤,我们制备了平面电荷异质的氧化石墨烯多层膜(1a)。横向上,它阻止无机盐离子传输,却允许水通过(1b)。在电场作用下,异质界面附近形成离子浓度耗散区。施加负压就能从膜中高效地汲取淡水(1c)。无需压缩层间距,即可实现对无机盐离子超过97%的脱除,和高达1500 Lm-2h-1bar-1的水通量,媲美单层多孔石墨烯膜和水通道蛋白膜(1d)。

这种从膜的侧向进水,从膜表面取水的模式是以前没有过的,它把bi-unipolar纳流二极管里的浓度耗散特性发挥到极致。是近十年来,纳米孔道离子学领域少有的集大成者。《Desalination》主编,纽约大学阿布扎比分校的Nidal Hilal教授,在其专题综述《Can graphene and graphene oxide materials revolutionise desalination processes》,将它作为代表性工作,配图重点介绍 [Desalination 2021, 500, 114852]。

1. (a) 双流体抽滤法制备平面异质的氧化石墨烯多层膜;(b) 盐离子阻塞效应,阻止无机盐离子的传输;(c) 电场作用下异质界面出现盐浓度耗散区,施加负压可汲取淡水;(d) 近99%脱盐率下,其水通量媲美单层石墨烯膜和水通道蛋白膜。图源:Adv. Mater. 2020, 32, 1903954

传承创新

MVC: 科研生涯中有哪些对您产生重要影响的人和事?

GW:我受家庭的影响很大。我的爷爷1936年毕业于清华大学,后投身革命,是红军队伍里的知识分子。我十四五岁跟着爷爷一起回清华参加校庆,第一次对学术殿堂有了向往。我的父亲因为历史原因,没能上大学。他把全部希望倾注在我身上。我中学时的理想是为国家造原子弹,是受电影《横空出世》的影响。

我的导师,北京大学的王宇钢教授,是带我走进纳米科学的引路人。在两弹和签署《全面禁止核试验条约》后,我国的核事业遇到瓶颈。传统的核学科需要探索出一条与以往不同的发展道路。在这样的背景下,王老师以敏锐的洞察力,捕捉到离子束方法与技术在生物和纳米领域将能发挥独到作用。我很幸运,成为他组里纳米方向的第一个学生。

江雷老师带我走进化学和材料的世界。江老师原来也是学物理的,早年间,我和他讨论科学问题时有很多共同语言。他活学活用毛泽东思想,并真的能用来指导科研活动,我的很多工作作风也是受此影响。与他共事十几年,我的感受是,江老师就像一条大鲶鱼,不断激发着身边我们这些小沙丁鱼的生存动力。让我们不会以为背靠大树好乘凉,就心生懒惰,缺乏斗志。

墨尔本大学的李丹老师带我走进二维材料的世界。美国西北大学的黄嘉兴老师让我认识到“processing”在材料研究中的重要性。我这才明白为什么李老师Nature Nanotechnology上那篇成名作,题目就叫“Processable aqueous dispersions of graphene nanosheets”,以及它为什么会成为该期刊历史上被引用最多的文章。加州大学河滨分校的吴建中老师是一位理论化学家。有一次,我拿着得意的工作去找他讨论,他第一个问题就是,你这个new physics在哪?观察到新现象,用了新材料,不等于有新物理。后来这种反思成为我工作的习惯。

MVC: 您带领科研团队的风格是怎样的?

GW:不跟风,不唯上,不唯书,是我所追求的。我们文章不多,但我要求团队成员把每一篇文章都要按照能够成为本领域教科书的标准打造。我自认为是一个自律的人,但好像我只比较擅长管好自己。所以,我推掉了所有非科研的任务,每天工作的十几个小时就全情投入,与学生们一起搞科研。

箴言赠语

MVC: 您给有志从事科学研究的青年学子有什么寄语?

GW:当下正值有为青年投身科学研究的黄金时代。国家提供给科研人员的工作和生活条件与十年前相比已大为提升,国家的整体科研实力也越来越配得上他的大国地位,青年学者在国内发展也会有很好的晋升机会。在机会面前,最公平的就是时间,给每个人的都是每天24小时。我希望年青人能把握机遇,抓紧时间,以只争朝夕的态度,向着自己的目标努力。最后,我想把一句喜欢的话和大家分享:愿以年少济沧海,不枉燕园几度春