30 天内，连发 Nature 和 Science，但却表示自己很普通，微信昵称也是简简单单的“小胖”。这便是江志伟，一位来自湖北武汉的青年学者。
图 | 江志伟（来源：江志伟）
在 Nature 论文里，他报道了一种含有定向大环孔的超薄纳米膜，能用于药物精准筛分，目前已在大麻二酚提纯上得到成功验证。与现有的商用膜对比，有序排列的大环分子膜可提高一个数量级的通量，并且提纯度达到商用膜的三倍。
同时，其还表示论文中的策略可被普及到其他同类的多孔材料中，真正地实现对膜孔径的精准把控，做到“指哪打哪”，让膜分离能在高附加值、亟需精准分子筛分的领域大放异彩。
（来源：Nature）
目前，他担任英国 Exactmer 公司的膜科研团队负责人，所有研究均致力于利用膜分离过程实现精准、大规模、廉价的药物生产。而此次成果，也将投入进一步的孵化。
据江志伟介绍，一直以来尺寸相近分子的精准筛分，都是膜分离领域的棘手难题。如能解决，则有利于拓展膜分离在高附加值产业中的广泛应用。
为达到这一目标，必须在亚纳米尺度上精准地调控膜孔径。近年来，随着多孔材料的兴起，人们发现其固有的稳定孔结构、以及内在空腔，是构筑规则均一膜孔、实现膜孔精准调控的上佳选择。但在实践中，却横亘着两大难题。
其一，多孔材料多是延续生长的晶体，在生长成型的过程中，不可避免会出现晶界，导致所形成的晶体膜出现缺陷。
其二，一些小分子的多孔材料虽能通过交联的方式，来解决晶界缺陷的问题。然而，在制膜的过程中，这种交联一般是以无序的方式，将多孔分子堆积在膜中，无法有序地排列连接起来，从而形成贯穿膜的通道。
在分离尺寸相近的分子时，这会增加分子在膜孔内的传质阻力，让本该渗透通过膜的小分子被截留住，导致分子之间的选择性降低。因此，如何让多孔材料进行有序排列，是实现将多孔有效转换成膜孔的关键。
江志伟的本次研究，正是为了解决这一难题。其使用的多孔材料是大环分子（包括环糊精和杯芳烃），它们具有稳定的内在空腔，并能通过改变环上分子的链长来改变空腔的大小。如能将其有序排列制备成膜，则能精准地调控膜孔尺寸。
（来源：Nature）
在之前的文献中，他曾尝试将未改性的环糊精交联成膜，然而由于环糊精上下两端的羟基，必须在碱性条件下才有反应活性、而且活性相当。
这样一来在界面聚合中，它们的反应是随机的，也就会被无序地交联在膜中，从而出现传质阻力过大的问题，致使分离效果不符合预期。
而江志伟将大环分子的上端，改性成反应活性更高的胺基，下端的羟基则保持不变。这样在界面聚合的交联反应中，上端活性更高的胺基将朝向上优先和交联剂反应，而没有反应活性的羟基则朝向下，会让大环分子自觉“站立”起来，并有序地排列贯穿在膜中。
通过表征手段，他和同事证明了这些大环分子的有序排列，并第一次在聚合物膜中观测到了亚纳米的膜孔。
具体来说，相比无序排列的膜孔，这些有序膜孔具备更快的溶剂通量、以及更高的分子选择性。通过使用不同大小的环糊精，膜孔的大小也随之改变，从而实现对相近尺寸分子的精准分离。
为了进一步证明有序排列膜孔在高附加值药物分离中的优势，江志伟使用这些膜来提纯大麻二酚，并获得了前文所述的结果。
近日，相关论文以《超薄膜中对齐的大环孔用于精确的分子筛分》（Aligned macrocycle pores in ultrathin films for accurate molecular sieving）为题 [1]，发表在 Nature。江志伟担任第一作者，英国伦敦玛丽女王大学工程与材料科学系教授安德鲁·G·利文斯顿（Andrew G. Livingston）担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature）
起初“瞒着”导师做研究
该研究要从 5 年前说起，当时江志伟去美国参加一场国际学术会议。期间，他听了沙特阿卜杜拉国王科技大学一位博士关于环糊精膜的演讲，主要介绍了如何将不加改性的环糊精直接交联成膜。
“很震撼的是报告的最后一页，是一个个环糊精闪现在屏幕上一个个地有序排列堆积起来，演讲者说这是他最希望能达到的状态，只有这样才能真正有效地把环糊精连接起来形成传输通道，实现精准筛分。”江志伟说。
这一幕给他留下了极深的印象。会后，他一直思索着解决方案，后来逐步生成了本次论文的想法。
他表示：“刚开始做都是背着导师偷偷地在私底下做，因为当时我还挂在别的项目上，怕他知道了不开心。另外就是想做出点东西之后，有个全貌了再呈现给导师，否则在刚开始的阶段仅窥一斑不见全豹，导师也未必能提起多大兴趣。”
于是，江志伟找了同组博士后商量合成方案，半年左右对方合成出来产物之后，他再来制膜、测膜，接着去找美国和德国的合作者做表征。
他继续说道：“导师中间也问过我，你看起来挺忙的，在忙什么呢？我说你别问，等我有了一个大框架再告诉你。他笑笑说，你总是有你的小秘密。然后也没再管我。”
等到江志伟有了比较有说服力的数据和表征之后，他才将课题构思汇报给导师。对此，江志伟回忆称：“他一开始也并没有被这个工作吸引，直到看到德国合作者表征出来的亚纳米孔，才觉得有意思了起来。”
在江志伟导师参与进来之后，后者又提出重要的应用部分，也就是大麻二酚的分离。“这是导师出去开会时看到的一个刚起步的膜分离应用场景，觉得特别适合让大环分子膜去提纯大麻二酚，”江志伟补充称。
后来，导师建议江志伟做相关的实验，来证明大环分子膜在实际应用中的价值，而这也给论文增添了一抹色彩。
图 | 相关论文（来源：Nature）
“我说你测测吧”
不过，在证明有序排列的结构、以及观测膜孔这两方面，江志伟花费了不少功夫。
首先是有序排列，一开始他想用 X 射线衍射来确定结构。但是，小角 X 射线衍射的专家表示，膜太薄了测不出来，必须得用专门测薄膜的掠入射广角 X 射线散射，而且还得配合加速器增强射线源，否则收集到的数据强度不够。
但是，全世界只有几家科研机构拥有这种设备。当时，江志伟正好跟美国西北大学一支团队有合作。
“看到他们用掠入射广角 X 射线散射测试共价有机框架薄膜，我就在想说我能用吗？联系了他们组的一个美国小哥，他说聚合物膜估计够呛，这个技术是用来测晶体和有序结构的。我说你测测吧，他测出结果的一刻比我还兴奋，”江志伟说。
后来，江志伟告诉了对方改性晶体小分子的过程，以及通过界面反应让它们定向排列起来，借此判断产生了有序结构。
同时，江志伟还需要观测膜孔，一开始想用扫描隧道显微镜。但是咨询了两个专家后，都说聚合物膜不导电测不了。
没多久，德国比利菲尔德大学的一位博士，要来到江志伟所在团队做博后。在阅读她的文章时，江志伟发现了一个新型 UHV-AFM 技术，可以观测到亚纳米级别的孔结构。
“我又说我能用吗？联系了他们组的一个德国小哥，他说聚合物膜应该不行，它们的孔会在高真空下坍塌。我说你试试吧，他看到孔的时候也激动不已。这得益于环糊精内腔的大环稳定结构，在真空下也不会坍塌。后来我和他们成为了朋友，在后来整个研究、写稿、投稿过程中，他们也成了我坚实的后盾。”他表示。
“也希望多了解一下国内的情况”
论文发表之后，江志伟收到了很多关注。但他却说：“这一路走来亮点成绩倒是没什么，算是普通且正常。上一次高光时刻还是在 16 岁，拿到了新加坡教育部的奖学金，在新加坡初中高中公费留学了四年。如果非要说一个亮点，那就是博士期间以二作身份发了一篇 Science。”
据介绍，江志伟本硕均毕业于英国伦敦大学学院，读硕期间参与了美国佐治亚理工大学的交换项目，后来到英国帝国理工大学读博。
目前，他还是英国未来领军人才计划（Future Leaders Fellowships）的独立研究员，获得了 150 万英镑的科研经费，在英国Exactmer 公司指导四个博士后进行研发膜在药物分离中的应用，也会参与制定公司的战略和规划。
此外，他也表示：“也希望多了解一下国内的情况，我的邮箱地址是 zhiwei.jiang@qmul.ac.uk。”
参考资料：
1.Jiang, Z., Dong, R., Evans, A.M. et al. Aligned macrocycle pores in ultrathin films for accurate molecular sieving. Nature 609, 58–64 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05032-1