2025年9月13日-16日，第二届国际绿碳科学大会在青岛召开。中国科学院院士、中国科学院理化技术研究所江雷研究员应邀出席，并作题为“Quantum Ionics: Ultra-Low Energy Consumption of Energy Conversion/Information Transmission in Biologic System”主旨报告。

量子离子学：生命体系中超低能耗的能量转换与信息传输

 背景介绍 

学习自然是原创科研选题的重要途径。在本次报告中，江雷研究员提出道法自然的研究思路，生动地介绍了超浸润体系和量子离子学的相关概念及研究进展，创新性提出并回答了生命如何实现超低能耗的能量转换与信息传输这一关键科学问题。相关研究不仅增进了我们对生命体内在工作机制的理解，也为开发新型高效能量转换材料和信息传输技术提供了理论基础，对于推动科学的发展和技术创新具有重要意义。

江雷研究员在2025年第二届国际绿碳科学大会作主旨报告

 报告亮点 

· “道法自然”的科学研究思路

江雷研究员提出“道法自然”的科学研究思路，通过深入探索荷叶“出淤泥而不染”、蜘蛛丝集水、电鳗放电等自然现象的内在机制，创新开展超浸润体系构建与量子限域超流研究。这一研究范式突破传统思维局限，为多维度破解复杂科学问题、推动技术创新提供了重要方法论启示。

· 超浸润界面体系的构建与创新应用

江雷研究员发现微/纳米结构与表面能对材料表面性质有显著影响，揭示液体在纳米结构上的超亲和超疏转变点，提出包含64种组合的超浸润界面材料体系，为物质合成、能量转换、信息传输等领域的发展提供创新支持。

· 量子限域超流揭示生命如何实现超低能耗能量转换与信息传输

针对电鳗发电、心脏复苏等生物现象，江雷研究员提出“机械调制可诱导离子相干共振宏观量子态”的新观点，通过量子限域超流回答了生命如何实现超低能耗的能量转换与信息传输，为生物信息的量子态本质提供了全新解释框架。

 报告内容介绍 

1 道法自然——向自然学习

自然界是一个充满智慧的宝库，许多生物和自然现象都蕴含着深刻的科学道理。例如，荷叶表面的超疏水性能、蜘蛛丝的集水、电鳗的高效发电机制等，都是自然界赋予我们的宝贵启示。向自然学习的仿生理念突破传统思维局限，为多维度破解复杂科学问题、推动技术创新提供了重要方法论。

江雷研究员在报告中详细阐述了“向自然学习”的研究实践。从观察自然现象入手，提炼荷叶、蜘蛛丝、电鳗等生物的核心特性，将其转化为超浸润体系构建、量子限域超流研究的科学思路。他强调，“向自然学习”并非简单模仿，而是挖掘自然现象的本质规律，是开展原始创新研究的重要途径之一，是发现全新科学原理、开发突破性技术方法、推动科学领域进步的重要动力。

2 超浸润体系

江雷研究员在超浸润体系的研究中发现，表界面的超浸润性是由微/纳米结构与表面能的协同作用控制。对于疏水材料而言，表面粗糙度的增加会显著增强疏水性；对于亲水材料，粗糙度增加会强化其亲水性。这一发现打破了传统认知，为材料表面性能调控提供了全新视角。

为精准掌握浸润性调控规律，江雷研究员团队通过设计系列对照实验，结合先进的表面表征技术与分子动力学模拟，成功捕捉到液体在纳米结构表面的超亲–超疏转变临界点，重新定义了液体亲疏界限。此外，通过精准调控表面微/纳米结构的尺寸、排布及表面化学组成，可实现超疏水和超亲水表面的灵活切换。这一过程并非简单的物理现象，而是涉及到复杂的分子间作用力和能量分布。

基于上述研究，江雷研究员提出并构建了包含64种组合方案的超浸润界面材料体系并将其创新应用于物质合成、能量转换、信息传输等领域。

3 量子限域超流与超低能耗生物系统

江雷研究员进一步提出量子离子学概念。生物系统中的离子通道有着极高的离子传输速率，远高于离子的自由扩散。这表明在生物离子通道中，离子经历了一种特殊的、有序的集团运动状态，即离子超流。这是由于库伦相互作用及通道限域作用使离子进入引力区，消除离子通道中布朗运动，形成离子的超低阻抗状态。另外，生物离子通道中，离子流动的过程中可以发射具有特征频率的电磁波，环境场（如脑电波）能够将各种离子通道调制为相干共振态，即，离子通道的宏观量子态。

江雷研究员深入探讨了生命系统如何实现超低能耗的高效能量转换与信息传输。他以电鳗发电、心脏复苏两大典型生物现象为切入点展开分析。电鳗之所以能实现高频放电却不损伤自身，关键在于机械调制引发的离子相干共振宏观量子态。在生命体系低能耗高效运行的过程中，机械调制致使离子集团通过离子通道程序化有序运动，几百万个细胞进入相干共振状态，实现电压叠加，完成机械能向周期脉冲电能的转换。离子相干共振的宏观量子态是生命超低能耗高效能量转换的关键。

在信息传输方面，江雷研究员提出离子通道中的量子限域离子超流是生物信息的量子态，而离子通道间的相干性则是作为生物信息的载体。脑电波的量子退相干周期约为6–8小时，而人类需通过睡眠恢复脑内离子通道的量子相干状态，这就解释了为什么“人类每日需8小时睡眠”。另外，生命的信息系统是可以被外部周期场调制的周期波动场，这为中医的经络系统提供了科学依据。江雷研究员指出经络是在外部刺激下具有明显生理响应共轭态响应的身体位点连接起来的网络。例如，合谷穴的离子通道与牙周神经处的离子通道是共轭量子态，这为按摩合谷穴可以缓解牙痛的生理现象提供了科学解释。

专家介绍

江雷 研究员

江雷，中国科学院院士，第三世界科学院院士，美国工程院外籍院士，澳大利亚科学院外籍院士，欧洲科学院外籍院士，欧洲工程院外籍院士。主要学术贡献为通过学习自然，建立了超浸润界面材料及超浸润界面化学体系，引领并推动了该领域在全球的发展，成功实现了多项成果的技术转化。2021年，超浸润性技术入选IUPAC化学领域十大新兴技术。2022 年，被选为Nature Index（美国、中国、德国、日本、法国）五强国家的中国科学家代表。现兼任英国皇家化学学会会士，Small国际顾问编委会主席、《材料科学》副主编、Green Carbon顾问委员会委员、Adv. Funct. Mater.、Acs Nano、Adv. Mater. Interfaces等杂志的编委。迄今发表SCI论文800余篇，总被引207000余次，H因子为213。

 原文链接 

江雷研究员与Green Carbon | 量子离子学：生命体系中超低能耗的能量转换与信息传输

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