文|《中國科學報》見習記者 江慶齡

2021年年底，項計學網施立雪順利找到了工作，外的聞科即將成為復旦大學生物醫學研究院的研究用好一名青年研究員。這也意味著，讓們她在美國哥倫比亞大學教授閔瑋課題組的奇心博士后工作進入了倒計時。

有一天，教科閔瑋看到一篇論文，書新對于他們一直想解決的改寫科學問題突然有了新靈感，于是項計學網找到施立雪，問她有沒有興趣試一下。外的聞科“這是研究用好個很有趣的問題，但存在很多的讓們爭議，也很難做，奇心我不確定是教科否可以做成。”閔瑋說道。

抱著“總得干些什么”的簡單想法，施立雪毫不猶豫地答應了下來，并趕在2022年8月回國前，做完了所有關鍵實驗。

3月19日，這項由閔瑋課題組和美國加州大學伯克利分校教授Teresa Head-Gordon課題組合作的研究成果發表于Nature。研究系統揭示了油滴界面水的微觀無序分子結構及其伴隨的超強靜電場效應，為界面水的物理化學特性及其在化學、生物學、材料科學等多個領域的影響提供了新認識。

1 給爭議一個定論

“我們越習以為常的事物，越難以說清背后的機理。”閔瑋笑道。

水就是一個典型的例子。每天需要喝八杯水、冬天可以在冰面上滑冰、干燥天氣使用加濕器就能提高室內舒適度……水獨特的物理化學性質，孕育了地球上多彩的生命世界，更影響著人們日常的衣食住行。

科學家們也從未停止過對水的探索，其中一大問題是界面水的特性。界面水是區別于體相水的存在，在生物、材料、環境中無處不在，如細胞膜周圍的水、荷葉上的水、做菜時鐵鍋里的水，凡是水接觸的地方，就是界面水存在的地方。

“水分子之間在體相中能夠形成氫鍵網絡，在界面處，這種特殊的網絡必然會以某種形式斷開，從而對水的性質產生影響。”閔瑋解釋道，“但是一般情況下，界面水只有1～2個分子層，厚度不超過1 nm。如一杯水中，99.999%的水都屬于體相水，只有0.001%是同杯子接觸的界面水。”

界面處的水，到底是更有序還是更自由？水分子之間的化學鍵更強還是更弱？和接觸的物質之間發生了怎樣的互動？人們對這些問題都充滿了好奇，并期待著通過探明其中奧秘，為新藥研發、水污染治理、綠色化學等提供新的思路。

而要研究如此痕量的界面水，難度可想而知。物理學家、化學家、工程師……不同領域的研究人員想盡了各種辦法，試圖通過實驗的方法解釋界面水的特殊性，但始終難以精準探測其結構。

1994 年，科學家開始使用振動和頻率生成光譜（VSFG）技術研究水油界面。VSFG原理上可以區分體相信號和界面信號，在過去30年間，被認為是研究界面水唯一可行的工具。

同時，人們也逐漸找到一個研究界面水的理想模型——油滴。盡管分子起源仍存在爭議，但學界已達成共識，懸浮于水中的油滴往往攜帶著電荷，即約-60 mV的負ζ電位。ζ電位對于乳液的長期穩定性至關重要，并且油滴和水接觸處的界面特性明顯區別于平面油—水界面。

遺憾的是，由于種種原因，不同實驗室得到的結果常常互相矛盾，甚至于同一個課題組在不同時期得到的結果也不一致。“比如制備樣本時引入了表面活性雜質、界面附近體相水的干擾，都可能影響結果。在缺乏非常精準的測量方法的時候，很難得到一個確定的答案。”施立雪表示。

  ?

為此，施立雪和閔瑋想了個很巧妙的方法，解決了樣品制備和測量的問題。

一方面，他們結合超聲處理，制備得到了能長時間穩定存在的油—水乳液體系，直徑250 nm左右的油滴均勻分散在水中，從而大幅增加了界面水的占比。“油滴變成微滴之后，比表面積大幅增加，提高了好幾個數量級。”閔瑋說道。

另一方面，基于團隊在拉曼光譜技術方面的多年積累，他們開發了高分辨率拉曼光譜結合多元曲線分解（Raman-MCR）技術。盡管無法直接識別界面信號，但較之于VSFG技術，Raman-MCR技術依然有著顯著優勢。如VSFG技術只能用于研究平面（如水杯壁）界面，而Raman-MCR技術可應用于乳液體系；Raman-MCR技術測量得到的光譜信號可以直接與體相水進行對比，從而精確揭示界面結構的變化，并降低了樣品的制備難度。

施立雪介紹：“我們采用‘減法’的思路，同時測量了界面水的信號和體相水的光譜信號，再通過一定的計算方法，去除體相水的信號，從而獲得界面水的信息。”

兩大關鍵難點突破后，問題迎刃而解。實驗測量結果顯示，油—水界面的水分子氫鍵結構更無序，且氫鍵強度較弱，即界面處的水分子更“自由”。Head-Gordon團隊后續的分子動力學模擬結果也驗證了此結論。值得一提的是，這一結論跟教科書中的說法截然相反——過去普遍認為界面處的水分子更“乖巧”，較體相中的水排列更為有序。

自此，學術界爭論了許久的一個問題，得到了初步定論，但這項研究的發現，則不止于此。

2 “小”液滴的“大”突破

“我們在第一輪投稿時，一位審稿人認為這項工作很有趣，但偏技術，更適合發在專業性的期刊上，而不是Nature。”閔瑋回憶道，“我們著重向審稿人解釋了微滴化學的意義和近幾年的發展，審稿人很快就同意在Nature發表了。”

說起閔瑋團隊和微滴化學的淵源，要回到幾年前。

2019年，美國斯坦福大學教授Richard Zare在PNAS發表了一篇論文，報道了水微滴中自發生成雙氧水的現象。這是一件聽起來非常不可思議的事情，要知道，Zare團隊并沒有在水中添加催化劑或者氧化劑。Zare推測這可能是由于微滴表面存在很強的電場，從而加速了化學反應。

此前，閔瑋團隊的一項研究中，將化學鍵作為探針，間接測量了細胞內微環境的電場。因此，Zare聯系了閔瑋，希望用此方法驗證他的推測。

“我第一反應是覺得這是在‘瞎扯’，不相信光靠水和油滴就產生了雙氧水。”施立雪直言。

但很快，實驗結果證明了電場的存在。2020年，兩個團隊合作發表的論文中指出，利用受激拉曼激發熒光成像（SREF）測量得到水微滴表面的電場強度約為10 MV/cm量級。此外，越來越多的證據表明，水微滴可大幅加速化學反應速率，名為“微滴化學”的新學科，也在近5年迎來了快速發展。

“很多化學反應都需要在催化劑的幫助下才能進行，尤其是在工業生產中。而這些催化劑往往都是有毒的貴金屬，如果把水滴縮小就能讓化學反應發生，無疑將對綠色化學產生重要影響。”閔瑋說道，“然而，盡管人們已經觀察到了很多類似的現象，卻始終不知道其中的機理，我們推測可能和界面水的特性有關。”

  ?

閔瑋團隊在測量界面水特性的同時，計算出油滴界面存在40—90 MV/cm的極端靜電場，該強度甚至接近生物酶活性位點的典型電場強度。該電場可使反應活化自由能降低約4.8 kcal/mol，相當于在室溫下將反應速率提升3000倍以上。進一步地，他們結合理論計算驗證了強電場的存在。

“電場本質上和電子的得失相關，比如氧化反應就是失去電子。如果恰恰有一個分子在電場周圍，就可能被電場影響而發生氧化還原反應。”閔瑋介紹，這為近年來備受關注的水微滴化學提供了關鍵理論支撐，也解釋了接觸電催化中無需催化劑的氧化還原反應特性。

同時，團隊也提出油滴表面的電荷分布是電場產生的核心機制。“我們猜測，油滴帶電的機理可能與摩擦起電有關。”閔瑋補充道，“水一接觸油滴就發生了‘摩擦’，表面的氫鍵結構就被破壞了，從而吸引相當數量的帶負電的羥基在該處聚集，最終產生了非常強的電場。”

值得一提的是，閔瑋團隊和合作者近期的一項研究很好地驗證了此假設。他們嘗試以物理化學的視角理解阿茲海默癥的關鍵生物標志物——淀粉樣蛋白的沉積過程，發現蛋白聚集體和水界面產生了一個很強的電場，進而發生了氧化反應形成OH自由基，最終造成細胞毒性。

“未來我們將進一步采用定量的方法，探明界面上不同分子、離子的分布，同時嘗試將微滴化學用于生物、催化等其他研究中。”閔瑋告訴《中國科學報》。

3 趕飛機前一秒，還在做實驗

在采訪過程中，閔瑋和施立雪都多次用了“沒想到”這個詞。在開啟這項研究時，師徒二人都沒有想過會得到什么結論、能發在什么雜志，單純是源于好奇心。

而一個比較現實的問題是，施立雪已經找好了工作，不久后就將離開實驗室。

“立雪她對界面水比較了解，另外也是考慮到她已經找好工作了，沒做成的話對后續的發展也不會有太大影響。”閔瑋坦言，“反過來講，這項研究對她也沒有什么好處。我想她應該也沒有考慮個人的得失，只是想知道這個研究的結果。”

“我并不算一個特別有規劃的人，比較喜歡想到什么干什么，這個問題也確實很重要，我就按自己的節奏開始做了。”施立雪說道。

就這樣，他們從科學問題出發，開始了同時間賽跑。

“我幾乎把所有坑都踩了一遍。”施立雪回憶道，“我們在2021年年底的時候開始看文獻和設計實驗，2022年年初的3個月做了一輪實驗，得到的結果五花八門，每次數據都沒辦法重復。”

通過不斷地看文獻和實驗嘗試，施立雪意識到裝溶液的玻璃小瓶可能對實驗結果有著重要影響。一般而言，為了徹底清除表面的有機物等所有雜質，清洗這種玻璃瓶需要用到由雙氧水和濃硫酸混合而成的piranha溶液。與此同時，高氧化性、高酸性環境，可能使玻璃瓶與溶液反應，生成硅酸鹽等離子化合物，干擾溶液制備。

明確了問題之后，玻璃瓶的問題就很快解決了。結合以往的文獻報道，施立雪對清洗條件進行了適度改進，最終確保了雜質被清除的同時沒有引入新的干擾因素。

類似的大大小小的挑戰還有很多，但施立雪接受度很高。“這個實驗就像是從失敗中‘采樣’，每一次失敗都能找到一點新的思路，慢慢摸索出了合適的實驗條件。發現并解決問題本身，就給了我很強的滿足感，這和發不發論文沒有關系。”

但隨著問題被一一解決，留給施立雪的時間也不多了。“當時美國的疫情十分嚴重，我也不知道自己什么時候能走，就買了好多航班，哪班能飛就坐哪班。”

那段時間里，施立雪最擔心的事情就是，來不及收集足夠多的數據——無論是她回國后重新搭建體系做實驗，還是由閔瑋團隊的成員接手，都需要一定的時間磨合。為此，施立雪加班加點地配備樣品、測數據，趕飛機前一秒還在做實驗。

幸運的是，在最后兩周左右，施立雪采集到了足夠多的可用數據，甚至于審稿過程中需要補的實驗數據都提前積累了一部分，后續則更多的是數據處理和分析的工作。

戲劇性的是，在論文被接收后，施立雪再一次遇到了“趕時間”的情況。團隊收到論文被正式接收的消息時，已經臨近春節了，他們需要盡快準備封面圖。施立雪了解到“科學網”的論文可視化服務，就聯系相關負責人進行了合作，在春節前及時完成了封面設計。

“我也期待我自己團隊后續的工作，能夠下次繼續合作。”施立雪說道。

而在這項工作進入尾聲的同時，施立雪也已經開啟了新生活。2022年11月，施立雪正式加入復旦大學生物醫學研究院，兩年多來，她一邊從頭搭建實驗室，一邊像當初做實驗一樣，從實踐中摸索適合實驗室的管理模式。

目前，施立雪課題組的主要研究方向為下一代生物成像技術的開發及其生物醫學方面應用的拓展，即用物理化學的思維開發適合生物醫學使用的技術。

施立雪期待，未來和醫院開展更多深度合作，將實驗室的技術進一步應用于臨床樣品，為開發新一代的病理學研究手段提供新思路，并助力疾病的早期診斷。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08702-y