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    從豬籠草到瓶子草:探索自然中的工程藝術——對話機械工程與自動化學院陳華偉

    2018-10-29

    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》雜志上發表,這是我國機械工程領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》在線發表在《Nature Materials》上。陳華偉教授表示“我們要有信心,在機械工程領域開辟出一塊獨特的天地,瞄準世界領先水平?!比缢?,課題組的科研成果短短兩年間,兩度刊登在全球頂級學術刊物上,充分體現了他在多學科交叉前沿研究領域不斷探索的決心。

     

    師法自然,學科交叉

    在多學科交叉的學術氛圍下,師法自然、仿生研究并不是陳華偉教授的首創,但工程領域的研究往往偏重工程應用,少有探究內在的理論科學依據?!袄砜聘鼈戎赜诶碚摰奶剿?,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”陳華偉教授如是說。

    瓶子草結構展示圖

    瓶子草這一成果源于一次偶然的發現。研究團隊曾在國外某攝影網站上看到一組植物的微觀照片。俗話說:“外行看熱鬧,內行看門道”,瓶子草規則的表面結構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構可控制造使其具有規則的紋理,之前觀察不到的一些現象也會隨之體現出來,因此表面的微結構控制非常重要,我們熟知的“鯊魚皮效應”便是在表面的規則結構上做文章。表面功能化技術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構表面,在沒有一個現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構的觀察基礎上,團隊深入分析了絨毛的表面微觀結構特征,首次發現了特殊的高低棱多級微納溝槽結構,液體也在表面干濕狀態下會相繼出現兩種不同的輸送模式。這種特殊高低棱多級溝槽結構導致的兩種連續而又不一樣的輸水模式會首先在矮棱構成的底部溝槽中快速形成一薄層水膜,后續液滴就可在這層水膜上超快速滑動,輸送模式在干、濕狀態下會發生明顯轉變。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構參數對超高速傳輸的影響規律,提出超高速輸送高低棱結構仿生設計準則。該項研究成果可應用于微流體芯片、高效散熱結構、液體收集與海水淡化裝置等亟需高速液體收集與傳輸的領域。  

    瓶子草集水過程

    循循善誘,厚積薄發

    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?!?/p>

    研究的一個難點在于,微觀動態比較超前。相比靜態的結構,動態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。北航的人才培養模式也與之相應,對于研究生的成果考核也是重質不重量,鼓勵研究生沉下心來不斷探索,敢于挑戰創新。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》發表已經兩年了,“豬籠草”的文章每年的引用次數達上百次,陳教授驚喜地發現這項成果不斷地被越來越多的領域采用,從電極去氣泡提高發電量到3D打印中微觀表面防沾,從醫學領域中骨生長營養液傳輸到無人機防冰涂層……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。這也與陳教授的初心一致,讓科研成果真正發揮作用,讓世界看到中國在微納仿生制造領域的實力。  

     

    策劃/文案:李欣欣

    設計:王宸彥

    出品:北航門戶網站總編總監工作室

    投稿:geoos@buaa.edu.cn



    審核:審核人參數配置未打開 編輯:覃楠

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