2016年4月7日，我校機械工程與自動化學院陳華偉教授及其團隊的研究成果《Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata》在《Nature》雜志上發(fā)表，這是我國機械工程領(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》在線發(fā)表在《Nature Materials》上。陳華偉教授表示“我們要有信心，在機械工程領(lǐng)域開辟出一塊獨特的天地，瞄準世界領(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學術(shù)刊物上，充分體現(xiàn)了他在多學科交叉前沿研究領(lǐng)域不斷探索的決心。
師法自然，學科交叉
在多學科交叉的學術(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用，少有探究內(nèi)在的理論科學依據(jù)。“理科更側(cè)重于理論的探索，少將理論研究引入實際工程中。而搞工科的，首先想的就是怎樣將一項技術(shù)研究落地、有運用的空間，重制作而輕理論研究。在理論與應用之間往往存在一個斷層，我們就想來突破這個斷層，實現(xiàn)從表象觀測到理論建模，再到工程設計乃至實際應用，打通從科學理論到工程應用的整個通道，當然這是一個非常理想化的想法，因為涉及多學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期努力和挑戰(zhàn)”陳華偉教授如是說。
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)。研究團隊曾在國外某攝影網(wǎng)站上看到一組植物的微觀照片。俗話說：“外行看熱鬧，內(nèi)行看門道”，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，一些看上去雜亂無章的表面若通過微納結(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)象也會隨之體現(xiàn)出來，因此表面的微結(jié)構(gòu)控制非常重要，我們熟知的“鯊魚皮效應”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)有著相當廣泛的運用，而要想得到具有某項功能的理想微結(jié)構(gòu)表面，在沒有一個現(xiàn)成的設計理論的情況下，師法自然無疑是一個捷徑。
在對瓶子草表面微結(jié)構(gòu)的觀察基礎上，團隊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微納溝槽結(jié)構(gòu)，液體也在表面干濕狀態(tài)下會相繼出現(xiàn)兩種不同的輸送模式。這種特殊高低棱多級溝槽結(jié)構(gòu)導致的兩種連續(xù)而又不一樣的輸水模式會首先在矮棱構(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，輸送模式在干、濕狀態(tài)下會發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變。用陳教授的話來說，“有一種‘后浪推前浪’的效果”。
在此基礎上，研究團隊又進一步揭示了高低棱多級微納結(jié)構(gòu)參數(shù)對超高速傳輸?shù)挠绊懸?guī)律，提出超高速輸送高低棱結(jié)構(gòu)仿生設計準則。該項研究成果可應用于微流體芯片、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。
瓶子草集水過程?
循循善誘，厚積薄發(fā)
每一項研究成果的背后，無疑凝聚了整個團隊的智慧與汗水。如果說陳教授是該項研究成果的總指揮，指明了研究的方向，那么學生第一作者博士生冉桐則是接受這一挑戰(zhàn)的帶頭人，承擔了這項成果每一步的具體研究工作。在陳教授看來，冉桐并非是最聰明的那一個，但他的可貴之處在于“能耐住性子，腳踏實地的去做事。”
研究的一個難點在于，微觀動態(tài)比較超前。相比靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，動態(tài)的液體傳輸更難觀測。液體如何分層，需要進行大量的圖像對比觀測。單是這項工作就耗去了整個團隊幾個月的時間。研究的另一個難題在理論推導方面，團隊獲得了江雷院士、及其團隊周嘉嘉老師的幫助，彌補了工科學生在理論方面的劣勢。同時也離不開團隊領(lǐng)導張德遠教授的大力支持與鼓勵。作為項目的主要責任人，冉桐需要擔任主心骨的作用，統(tǒng)籌整個項目組攻堅克難，而這一堅持就是三年。
對此，陳教授頗有感觸。在他看來，選擇一個切入點進行深入研究，從理論到模型建立再到應用形成一個完整的體系，完成一篇有點價值的“大論文”是博士生應該追求的方向。國家需要的是一個成熟的大論文體系，將一個問題研究得徹底、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，對于研究生的成果考核也是重質(zhì)不重量，鼓勵研究生沉下心來不斷探索，敢于挑戰(zhàn)創(chuàng)新。對于自己的學生，陳教授總是鼓勵他們志存高遠，有敢于把《Nature》、《Science》作為目標的決心。
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)達上百次，陳教授驚喜地發(fā)現(xiàn)這項成果不斷地被越來越多的領(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)學領(lǐng)域中骨生長營養(yǎng)液傳輸?shù)綗o人機防冰涂層……真正做到了從理論到實踐應用的探索，其價值正不斷被展現(xiàn)。這也與陳教授的初心一致，讓科研成果真正發(fā)揮作用，讓世界看到中國在微納仿生制造領(lǐng)域的實力。
策劃/文案：李欣欣
設計：王宸彥
出品：北航門戶網(wǎng)站總編總監(jiān)工作室
投稿：geoos@buaa.edu.cn
