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从猪笼草到瓶子草:探索自然中的工程艺术——对话机械工程与自动化学院陈华伟

2016年4月7日,我校机械工程与自动化学院陈华伟教授及其团队的研究成果《Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata》在《Nature》杂志上发表,这是我国机械工程领域在该杂志的首篇论文。两年后的2018年9月24日,陈华伟教授课题组的又一成果《Ultrafast water harvesting and transport in hierarchical micro-channels》在线发表在《Nature Materials》上。陈华伟教授表示“我们要有信心,在机械工程领域开辟出一块独特的天地,瞄准世界领先水平。”如他所言,课题组的科研成果短短两年间,两度刊登在全球顶级学术刊物上,充分体现了他在多学科交叉前沿研究领域不断探索的决心。

 

师法自然,学科交叉

在多学科交叉的学术氛围下,师法自然、仿生研究并不是陈华伟教授的首创,但工程领域的研究往往偏重工程应用,少有探究内在的理论科学依据。“理科更侧重于理论的探索,少将理论研究引入实际工程中。而搞工科的,首先想的就是怎样将一项技术研究落地、有运用的空间,重制作而轻理论研究。在理论与应用之间往往存在一个断层,我们就想来突破这个断层,实现从表象观测到理论建模,再到工程设计乃至实际应用,打通从科学理论到工程应用的整个通道,当然这是一个非常理想化的想法,因为涉及多学科交叉并不是一件容易的事情,为此我们可能需要几代师生的长期努力和挑战”陈华伟教授如是说。

瓶子草结构展示图

瓶子草这一成果源于一次偶然的发现。研究团队曾在国外某摄影网站上看到一组植物的微观照片。俗话说:“外行看热闹,内行看门道”,瓶子草规则的表面结构引起了他们极大的兴趣。在微观纳米维度,一些看上去杂乱无章的表面若通过微纳结构可控制造使其具有规则的纹理,之前观察不到的一些现象也会随之体现出来,因此表面的微结构控制非常重要,我们熟知的“鲨鱼皮效应”便是在表面的规则结构上做文章。表面功能化技术有着相当广泛的运用,而要想得到具有某项功能的理想微结构表面,在没有一个现成的设计理论的情况下,师法自然无疑是一个捷径。

在对瓶子草表面微结构的观察基础上,团队深入分析了绒毛的表面微观结构特征,首次发现了特殊的高低棱多级微纳沟槽结构,液体也在表面干湿状态下会相继出现两种不同的输送模式。这种特殊高低棱多级沟槽结构导致的两种连续而又不一样的输水模式会首先在矮棱构成的底部沟槽中快速形成一薄层水膜,后续液滴就可在这层水膜上超快速滑动,输送模式在干、湿状态下会发生明显转变。用陈教授的话来说,“有一种‘后浪推前浪’的效果”。

在此基础上,研究团队又进一步揭示了高低棱多级微纳结构参数对超高速传输的影响规律,提出超高速输送高低棱结构仿生设计准则。该项研究成果可应用于微流体芯片、高效散热结构、液体收集与海水淡化装置等亟需高速液体收集与传输的领域。  

瓶子草集水过程

循循善诱,厚积薄发

每一项研究成果的背后,无疑凝聚了整个团队的智慧与汗水。如果说陈教授是该项研究成果的总指挥,指明了研究的方向,那么学生第一作者博士生冉桐则是接受这一挑战的带头人,承担了这项成果每一步的具体研究工作。在陈教授看来,冉桐并非是最聪明的那一个,但他的可贵之处在于“能耐住性子,脚踏实地的去做事。”

研究的一个难点在于,微观动态比较超前。相比静态的结构,动态的液体传输更难观测。液体如何分层,需要进行大量的图像对比观测。单是这项工作就耗去了整个团队几个月的时间。研究的另一个难题在理论推导方面,团队获得了江雷院士、及其团队周嘉嘉老师的帮助,弥补了工科学生在理论方面的劣势。同时也离不开团队领导张德远教授的大力支持与鼓励。作为项目的主要责任人,冉桐需要担任主心骨的作用,统筹整个项目组攻坚克难,而这一坚持就是三年。

对此,陈教授颇有感触。在他看来,选择一个切入点进行深入研究,从理论到模型建立再到应用形成一个完整的体系,完成一篇有点价值的“大论文”是博士生应该追求的方向。国家需要的是一个成熟的大论文体系,将一个问题研究得彻底、清楚,这才是有份量的科研成果。北航的人才培养模式也与之相应,对于研究生的成果考核也是重质不重量,鼓励研究生沉下心来不断探索,敢于挑战创新。对于自己的学生,陈教授总是鼓励他们志存高远,有敢于把《Nature》、《Science》作为目标的决心。

距离上一篇《Nature》发表已经两年了,“猪笼草”的文章每年的引用次数达上百次,陈教授惊喜地发现这项成果不断地被越来越多的领域采用,从电极去气泡提高发电量到3D打印中微观表面防沾,从医学领域中骨生长营养液传输到无人机防冰涂层……真正做到了从理论到实践应用的探索,其价值正不断被展现。这也与陈教授的初心一致,让科研成果真正发挥作用,让世界看到中国在微纳仿生制造领域的实力。  

 

策划/文案:李欣欣

设计:王宸彦

出品:北航门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn