2016年4月7日，我校機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院陳華偉教授及其團(tuán)隊(duì)的研究成果《Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata》在《Nature》雜志上發(fā)表，這是我國(guó)機(jī)械工程領(lǐng)域在該雜志的首篇論文。兩年后的2018年9月24日，陳華偉教授課題組的又一成果《Ultrafast water harvesting and transport in hierarchical micro-channels》在線(xiàn)發(fā)表在《Nature Materials》上。陳華偉教授表示“我們要有信心，在機(jī)械工程領(lǐng)域開(kāi)辟出一塊獨(dú)特的天地，瞄準(zhǔn)世界領(lǐng)先水平。”如他所言，課題組的科研成果短短兩年間，兩度刊登在全球頂級(jí)學(xué)術(shù)刊物上，充分體現(xiàn)了他在多學(xué)科交叉前沿研究領(lǐng)域不斷探索的決心。
師法自然，學(xué)科交叉
在多學(xué)科交叉的學(xué)術(shù)氛圍下，師法自然、仿生研究并不是陳華偉教授的首創(chuàng)，但工程領(lǐng)域的研究往往偏重工程應(yīng)用，少有探究?jī)?nèi)在的理論科學(xué)依據(jù)。“理科更側(cè)重于理論的探索，少將理論研究引入實(shí)際工程中。而搞工科的，首先想的就是怎樣將一項(xiàng)技術(shù)研究落地、有運(yùn)用的空間，重制作而輕理論研究。在理論與應(yīng)用之間往往存在一個(gè)斷層，我們就想來(lái)突破這個(gè)斷層，實(shí)現(xiàn)從表象觀測(cè)到理論建模，再到工程設(shè)計(jì)乃至實(shí)際應(yīng)用，打通從科學(xué)理論到工程應(yīng)用的整個(gè)通道，當(dāng)然這是一個(gè)非常理想化的想法，因?yàn)樯婕岸鄬W(xué)科交叉并不是一件容易的事情，為此我們可能需要幾代師生的長(zhǎng)期努力和挑戰(zhàn)”陳華偉教授如是說(shuō)。
瓶子草結(jié)構(gòu)展示圖
瓶子草這一成果源于一次偶然的發(fā)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)曾在國(guó)外某攝影網(wǎng)站上看到一組植物的微觀照片。俗話(huà)說(shuō)：“外行看熱鬧，內(nèi)行看門(mén)道”，瓶子草規(guī)則的表面結(jié)構(gòu)引起了他們極大的興趣。在微觀納米維度，一些看上去雜亂無(wú)章的表面若通過(guò)微納結(jié)構(gòu)可控制造使其具有規(guī)則的紋理，之前觀察不到的一些現(xiàn)象也會(huì)隨之體現(xiàn)出來(lái)，因此表面的微結(jié)構(gòu)控制非常重要，我們熟知的“鯊魚(yú)皮效應(yīng)”便是在表面的規(guī)則結(jié)構(gòu)上做文章。表面功能化技術(shù)有著相當(dāng)廣泛的運(yùn)用，而要想得到具有某項(xiàng)功能的理想微結(jié)構(gòu)表面，在沒(méi)有一個(gè)現(xiàn)成的設(shè)計(jì)理論的情況下，師法自然無(wú)疑是一個(gè)捷徑。
在對(duì)瓶子草表面微結(jié)構(gòu)的觀察基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)深入分析了絨毛的表面微觀結(jié)構(gòu)特征，首次發(fā)現(xiàn)了特殊的高低棱多級(jí)微納溝槽結(jié)構(gòu)，液體也在表面干濕狀態(tài)下會(huì)相繼出現(xiàn)兩種不同的輸送模式。這種特殊高低棱多級(jí)溝槽結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的兩種連續(xù)而又不一樣的輸水模式會(huì)首先在矮棱構(gòu)成的底部溝槽中快速形成一薄層水膜，后續(xù)液滴就可在這層水膜上超快速滑動(dòng)，輸送模式在干、濕狀態(tài)下會(huì)發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變。用陳教授的話(huà)來(lái)說(shuō)，“有一種‘后浪推前浪’的效果”。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步揭示了高低棱多級(jí)微納結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超高速傳輸?shù)挠绊懸?guī)律，提出超高速輸送高低棱結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。該項(xiàng)研究成果可應(yīng)用于微流體芯片、高效散熱結(jié)構(gòu)、液體收集與海水淡化裝置等亟需高速液體收集與傳輸?shù)念I(lǐng)域。
瓶子草集水過(guò)程?
循循善誘，厚積薄發(fā)
每一項(xiàng)研究成果的背后，無(wú)疑凝聚了整個(gè)團(tuán)隊(duì)的智慧與汗水。如果說(shuō)陳教授是該項(xiàng)研究成果的總指揮，指明了研究的方向，那么學(xué)生第一作者博士生冉桐則是接受這一挑戰(zhàn)的帶頭人，承擔(dān)了這項(xiàng)成果每一步的具體研究工作。在陳教授看來(lái)，冉桐并非是最聰明的那一個(gè)，但他的可貴之處在于“能耐住性子，腳踏實(shí)地的去做事。”
研究的一個(gè)難點(diǎn)在于，微觀動(dòng)態(tài)比較超前。相比靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)的液體傳輸更難觀測(cè)。液體如何分層，需要進(jìn)行大量的圖像對(duì)比觀測(cè)。單是這項(xiàng)工作就耗去了整個(gè)團(tuán)隊(duì)幾個(gè)月的時(shí)間。研究的另一個(gè)難題在理論推導(dǎo)方面，團(tuán)隊(duì)獲得了江雷院士、及其團(tuán)隊(duì)周嘉嘉老師的幫助，彌補(bǔ)了工科學(xué)生在理論方面的劣勢(shì)。同時(shí)也離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)張德遠(yuǎn)教授的大力支持與鼓勵(lì)。作為項(xiàng)目的主要責(zé)任人，冉桐需要擔(dān)任主心骨的作用，統(tǒng)籌整個(gè)項(xiàng)目組攻堅(jiān)克難，而這一堅(jiān)持就是三年。
對(duì)此，陳教授頗有感觸。在他看來(lái)，選擇一個(gè)切入點(diǎn)進(jìn)行深入研究，從理論到模型建立再到應(yīng)用形成一個(gè)完整的體系，完成一篇有點(diǎn)價(jià)值的“大論文”是博士生應(yīng)該追求的方向。國(guó)家需要的是一個(gè)成熟的大論文體系，將一個(gè)問(wèn)題研究得徹底、清楚，這才是有份量的科研成果。北航的人才培養(yǎng)模式也與之相應(yīng)，對(duì)于研究生的成果考核也是重質(zhì)不重量，鼓勵(lì)研究生沉下心來(lái)不斷探索，敢于挑戰(zhàn)創(chuàng)新。對(duì)于自己的學(xué)生，陳教授總是鼓勵(lì)他們志存高遠(yuǎn)，有敢于把《Nature》、《Science》作為目標(biāo)的決心。
距離上一篇《Nature》發(fā)表已經(jīng)兩年了，“豬籠草”的文章每年的引用次數(shù)達(dá)上百次，陳教授驚喜地發(fā)現(xiàn)這項(xiàng)成果不斷地被越來(lái)越多的領(lǐng)域采用，從電極去氣泡提高發(fā)電量到3D打印中微觀表面防沾，從醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中骨生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)液傳輸?shù)綗o(wú)人機(jī)防冰涂層……真正做到了從理論到實(shí)踐應(yīng)用的探索，其價(jià)值正不斷被展現(xiàn)。這也與陳教授的初心一致，讓科研成果真正發(fā)揮作用，讓世界看到中國(guó)在微納仿生制造領(lǐng)域的實(shí)力。
策劃/文案：李欣欣
設(shè)計(jì)：王宸彥
出品：北航門(mén)戶(hù)網(wǎng)站總編總監(jiān)工作室
投稿：geoos@buaa.edu.cn
