洗过的衣服，穿在身上持久留香；吞下一颗小胶囊，即可对胃肠道有益微生物菌群进行补加从而恢复和提高人体免疫力；贴上“创口贴”，药物通过微针穿透皮肤角质层，直接进入血液，实现“无感”精准治疗……这些，可能都归功于微尺度材料和相关技术的魔力。
10月21日，甬江实验室高山讲堂上新。英国皇家工程院与欧洲科学院两院院士、英国伯明翰大学张志兵教授，这位在颗粒微操作和微胶囊化研究方面享有国际声誉的科学家以《微尺度材料：合成、表征与应用》为题，从活性物质包埋的微胶囊技术理论出发，阐述了微胶囊技术中活性物质的缓慢释放特性和微胶囊机械强度测试的实验仪器和实验方法，更以丰富的应用案例，拉近了大家与微尺度材料的距离。
结缘“微尺度”
什么是微尺度材料呢？这里所说的微尺度材料，是指单个单元的尺寸在1至1000微米之间的材料。由于微观尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应，因而微尺度材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。
“刚到英国时，想做一些生物化学工程方面的工作，但在使用动物细胞时，遇到了困难。”张志兵回忆，动物细胞非常脆弱，特别容易破碎，没有人知道它能承受多大的机械作用力，“所以那时想做一些有开创性的工作，最好是接下来几十年能在这个领域有较大的发展。当时的第一个想法就是检测动物细胞的机械强度。”
正是在这一最初想法的指引下，从最早1991年发明出了可以测单个动物细胞的装置，到不断改进和发明更多可以满足不同需求的测量装置，最终张志兵与伯明翰大学的同事开发出了能精准测量单个颗粒机械性质的微操作技术。
这种微操作技术很快被证明十分有效，可获得从单个微粒压缩到破裂的力-位移数据。而有限元分析又有助于确定颗粒材料的固有机械性能参数，这为科研人员了解各种生物和非生物微尺度材料的机械性能，探索微观界面的新奇物性提供了有力的手段。
此后，他又将目光聚焦到另一个方向：微胶囊。这些微米级的胶囊可以通过化学自组装或聚合反应合成，有着不同的尺寸和空腔大小。
在此前的研究中，如何精准表征这些粒子的物理性质，特别是其力学和机械性能，一直是科学家们非常关注的一大难题。有了微操作技术和有限元分析的加持，单个微胶囊的尺寸，机械强度等一系列物理量得以精准地呈现在科学家面前，为其在不同场景中的应用奠定了基础。
从Lab到Fab
在确定了材料类型，又具备了检测手段之后，一系列的实用性研究纷至沓来。现场张志兵展示了丰富的微材料应用案例。在他众多“从Lab到Fab”的产业化案例中，最为人熟悉的产品大概是微胶囊香氛洗衣液。
一日化巨头早期的香氛洗衣液是将液体香水加到洗衣液里。洗完的衣服带有芳香，但香味不够持久。此外，留在衣服上的香水极少，绝大多数都进入了下水道，原料浪费严重，对生态也不友好，不利于可持续发展。
2003年，张志兵开始与这家日化巨头合作。经过长达4年的努力，全新的微胶囊留香技术问世——包埋液体香水的微胶囊具有一定的机械强度，以此确保在洗涤的时候不破裂，但在洗涤过程中被牢牢固定在织物上。这些附着在衣服上的微胶囊，在衣物日常使用中通过相互摩擦与挤压而破裂，从而实现香味的缓慢释放，留香更持久。
目前，微操作技术已被广泛应用于确定各类生物和非生物微尺度材料的机械性能，并揭示这些材料在多种工业应用中的基本物理性质。张志兵团队已开发出不同的封装技术，用于制造微胶囊或微针，以实现活性成分的稳定化和控制释放。
从微尺度科学到宏观应用，从基础研究到产品开发，张志兵在科研与产业之间自如切换，双向发力。至今，他已经与包括宝洁、联合利华在内的众多顶级科研机构和知名企业展开了合作，研究成果成功应用于洗涤用品、功能食品、口腔护理、药物和农用化学品。
创新没有终点，这位“微观大师”仍在探“微”路上继续跋涉，去解决更多微尺度材料在基础研究和应用中所面临的问题和需求，最大限度将微尺度材料的性能传递到宏观尺度。再以香料和香精封装为例——香料和香精的封装对于稳定挥发性、反应性和易受环境条件影响的分子及其受控释放至关重要，但目前的工业产品很大程度上依赖于不可生物降解的合成聚合物作为微胶囊的壳材料。“这就需要进一步开发包括生物相容、生物可降解、高效的、并且对用户和环境友好的递送系统。”张志兵说。
现场互动
Q: 工业级应用为什么多为微米级材料？
微米材料是工业界特别是消费产品类别中比较喜欢使用的材料。”张志兵说原因有三：制备相对容易，比较稳定且自然界广泛存在。相对来说，纳米虽有特殊功能，但是作为消费产品的材料，需要做独特的安全性研究，所以能用微米的情况下很少用纳米。
Q: 如何建立基础研究和具体应用的联系？
在张志兵看来，不断精进的微操作技术为他的微尺度材料研究领域提供了持续的技术支持，而与工业界的合作又令他能够及时了解最新的行业需求，开发新的课题，产出新的成果，进一步发挥微尺度材料在宏观世界中的优异性能。
“基础研究的最终目标，特别是在工程学科中，还得服务于社会、国家、世界的需要。基础研究提供了必要的支撑，没有扎实的基础研究作为基石，应用研究将难以达到新的高度。因此，两者是相辅相成的关系。”张志兵如是说。同时，他也对甬江实验室构建“基础研究—应用研究—成果转化—工程化”全过程创新生态的做法十分赞赏。
短短一个小时的分享，已让现场听众对微尺度材料产生了浓厚的兴趣，频频发问。“单个颗粒如何提取？”“甬江实验室聚焦的就是新材料领域，我们未来在哪些方面可以与您开展合作？”“我是来自宁波大学机械工程与力学学院的，听了您的报告收获很大，有一个问题想向您请教。”……交流环节同样近一个小时，仍意犹未尽。
张志兵教授简介
英国伯明翰大学化工学院教授，英国皇家工程院院士、欧洲科学院院士；现任英国微力测量有限公司董事负责人、世界生物保护论坛副主席、中英工程技术合作指导委员会成员、中国科学院海外评审专家、《微胶囊化杂志》(Journal of Microencapsulation)编委会成员、粒子学 (Particuology)国际咨询委员会成员、《健康工程(英文)》(Health Engineering)副主编、英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）项目评委和工程专家组成员。迄今发表210余篇同行评议论文，另有超280篇稿件散见于书籍章节、会议论文和专利文献等其他出版物。先后荣获中国教育部颁发的科技进步奖，国际化学工程师学会全球创新产品入围奖，国际生物农药高峰会议“最佳产业合作奖”等。
