江雷院士，最新AM观点！

自20世纪初首次发现超疏水现象以来，表面润湿性研究已历经百年。然而，随着纳米科技的发展，科学家逐渐意识到，传统表面润湿理论难以解释生命体系中在常温、常压下实现的高效能量利用过程。例如，生物合成、能量转换与信息传输等关键生命活动，如何在极低的能量输入下完成？这一核心问题长期困扰着材料科学与生命科学领域。如今，中国科学家通过系统研究生物启发的超润湿纳米材料，首次提出“超低能耗（UEC）”生命机制，为破解这一难题提供了全新视角。

中国科学院物理化学技术研究所的江雷院士与张锡奇教授团队，系统回顾了其在超润湿体系25年研究历程的基础上，提出“动态超润湿”概念，并将其拓展至生物纳米通道中的离子/分子有序输运机制。研究指出，生命体系通过纳米通道内的离子/分子定向集体运动，实现了高效生物合成、能量转换与信息传输，其本质是一种“类超流态”行为。该研究不仅揭示了生物超低能耗现象的物理化学本质，也为构建人工超低能耗系统提供了理论依据与材料路径。相关Perspective论文以“Bioinspired Superwetting Nanomaterials and Beyond: Ultralow Energy Consumption in High-Efficiency Bio-Synthesis, Energy Conversion, and Information Transmission”为题，发表在

Advanced Materials

文章从静态超润湿出发，首次系统阐述了微纳结构对表面润湿性的调控机制。作者指出，传统杨氏方程将90°视为润湿与疏水的分界点，但通过实验测定，不同液体在纳米结构表面上的本征润湿阈值（IWT）远非90°。例如，水的IWT为65°，其他液体则根据化学性质差异呈现不同阈值。基于此，研究团队构建了包含64种润湿状态的完整体系，涵盖气、水、油三相环境下的亲水/疏水、亲油/疏油等多种组合，为设计多功能界面材料提供了理论框架。目前，已有十余种超润湿界面材料被开发应用于自清洁涂层、油水分离、农药喷洒增效、相变换热强化等领域。

在静态研究基础上，团队进一步提出“动态超润湿”概念，强调液体在微纳结构表面上的超铺展行为及其在纳米通道中的有序流动特性。例如，水黾腿、蜘蛛丝、仙人掌表面等生物结构均表现出对微流体的定向驱动能力。研究发现，化学组分梯度、粗糙度梯度与曲率梯度共同决定了液体输运方向。通过构建具有亲疏水交替纳米区域的硅片表面，团队实现了多种液体的无飞溅超快铺展，并揭示其机制源于前驱膜中高液体通量抑制了空气夹带。此外，借助表面增强拉曼技术，研究首次观察到纳米限域空间中水分子有序结构的增强，进一步证实了有序水结构对超铺展行为的关键作用。

图1：超润湿体系示意图 a) 微纳结构增强疏水与亲水表面的润湿性，分别形成超疏水与超亲水表面。 b) 不同液体的本征润湿阈值（IWT）远离90°，显示传统杨氏方程的局限性。 c) 超润湿体系中可能存在的64种润湿状态，涵盖气、水、油三相环境下的组合。 d) 超润湿体系可扩展至13种液体类型，适用于不同温度与压力条件。 e) 化学组分、粗糙度与曲率梯度共同驱动液滴在表面上的定向输运。

更重要的是，作者将动态超润湿理念延伸至生物纳米通道中的离子与分子输运机制。研究表明，生物水通道在体温下的水通量高达10⁹ s⁻¹，钾离子通道的离子通量亦达10⁸ s⁻¹，远超经典热力学预期。作者指出，这种高效输运源于通道内离子/分子的定向集体运动，即“离子/分子超流性”，是生物体系实现超低能耗的关键机制之一。以贝壳形成为例，其在常温下通过受限组装实现高效生物矿化；天然橡胶合成酶亦可在温和条件下高效合成高分子材料。受这些生物过程启发，研究团队发展了二维限域去润湿诱导结晶技术，成功制备轻质高强仿生纳米材料，并实现了RGB量子点阵列的高效构筑，为高分辨率显示技术提供支撑。

在能量转换方面，作者指出，生物体系如肌肉收缩、电鳗放电等过程均依赖于离子通道内的有序离子流。通过模仿电鳗发电细胞的非对称离子通道结构，研究团队构建了仿生纳米流体通道，实现了高效渗透能转换，最大功率密度达217.7 W/m²。同时，借鉴鱼类鳃部高效离子筛选机制，开发出具有高选择性与高通量的人工离子通道膜，实现亚埃级精度的离子分离。此外，基于钯纳米颗粒与CPOF骨架之间的空间限域效应，团队还实现了氢同位素的高效分离，为低能耗材料分离提供新策略。

在信息传输方面，作者挑战了传统Hodgkin-Huxley模型中“离子扩散传导动作电位”的观点，提出“量子限域离子超流”机制，认为神经信号传输可能源于离子通道内离子的相干振动状态。这种“宏观量子态”不仅解释了神经信息传输的高效性与精准性，也为理解意识产生提供了新视角。此外，团队基于心肌与肺肌细胞中Ca²⁺荧光动态，提出“4D编码模型”，认为生命信息可能以钙离子通道开关的时空波函数形式进行存储与输出，为构建类脑信息处理系统提供理论基础。

图2：超润湿与超低能耗在生物合成、能量转换与信息传输中的应用 a) 生物水通道与钾离子通道在体温下实现超高通量输运，体现离子/分子超流性。 b) 生物合成包括常温受限组装（如贝壳形成、量子点阵列构筑）与温和条件下的酶催化合成（如天然橡胶合成）。 c) 能量转换涉及生物体高效能量传递（如肌肉收缩、电鳗放电）与材料分离（如鱼鳃离子筛选、氢同位素分离）。 d) 信息传输包括神经网络的离子相干态作为信息载体，以及基于钙离子通道时空动态的4D信息编码模型。

综上所述，该研究系统揭示了生命体系中“超低能耗”现象的物理化学本质，提出“动态超润湿”与“离子/分子超流性”是其核心机制。未来，该理论将推动材料合成、能源转化与信息技术等领域的范式变革，为实现绿色制造、高效能源利用与低功耗人工智能提供新思路。