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学霸逛公园的一个新发现,拓展了沿用200多年的理论

2022-03-01 10:55:46

“人处在一种默默奋斗的状态,精神就会从琐碎生活中得到升华。”这是冯诗乐在《平凡的世界》中最喜欢的一句话,这句话激励着他如书中的孙少平一样,在平凡的生活中努力而发光。

在冯诗乐发现的南洋杉叶片上,液体流动的样子宛若夜空中两条毅然相向的星轨,释放出的光芒熠熠生辉——这是被问及对“发光”的定义时,冯诗乐脑海中首先浮现的画面。这个画面是他无数次蛰伏在实验室,一遍遍观察得到的结果。那两条相向而驰的轨迹,带领他摘下硕果:2021年9月,已经是大连理工大学副教授的冯诗乐与香港城市大学助理教授朱平安、教授王钻开及其合作者在《科学》杂志上发表了此项突破性成果,这一发现打破了自1804年ThomasYoung首次提出表/界面科学润湿性理论以来的传统认知,被《科学》杂志在其官方网站提前宣传,并得到国内外知名媒体广泛报道。

在冯诗乐眼中,这片南洋杉叶的表面穿梭着不同轨迹的液体,如星轨一般的痕迹交织出绚烂的画面。而这些美好的画面,正是他在平凡中默默努力的意义。

蛰伏在实验室的“艺术家”

“自然界中每一个生物体表面结构都是精美的艺术品。”冯诗乐认为,世间万物都是经过长期进化方有现在的形态,即便是普通人眼中稀松平常的荷叶,甚至是被人鄙夷不屑的蜘蛛丝,在冯诗乐眼中同样是艺术品,而他自己,就是蛰伏在实验室的“艺术家”。

“说得通俗点,就是通过一定的方法把生物体表面结构模仿出来,甚至在某些方面超越自然界的性能,进而据此研究。”冯诗乐如此解释自己的工作,对其专业“仿生功能表面流体动态行为研究”进行了生动说明。冯诗乐硕士和博士就读于北京航空航天大学应用化学和材料物理化学专业,博士后就职于香港城市大学机械工程学院,积累了材料、物理、化学和机械等领域的相关知识,这为开展仿生功能表面流体动态行为研究提供了丰富的理论基础,入职大连理工大学机械工程学院以后,他又进一步学习了各种高精尖机械加工技术,为自然界生物表面结构的仿生设计与制备,提供了强有力的技术支撑。

2018年,尚在做博士后的冯诗乐到主题公园赏玩“艺术品”南洋杉叶子表面时,发现其呈现出独特的双重悬臂结构:叶子由向尖端倾斜的锯齿周期性排列组成,每个锯齿有一个尖端,其表面具有横向和纵向的曲率。专注于仿生功能表面流体动态行为研究的他敏锐地捕捉到,这种特殊结构可能会对流体运动状态产生影响,他立刻回到实验室开展相关研究。

回到实验室后,冯诗乐在导师王钻开教授的指导下开启了对“艺术品”的研究——他发现南洋杉叶片表面具有横向和纵向的双重悬臂结构,水和酒精在上面的运动行为不同,而在传统认知中,同一结构表面上流体的运动行为是一样的。这一发现打破了自1804年ThomasYoung首次提出表/界面科学润湿性理论以来的传统认知:液体在固体表面的自发运动趋向于向系统能量降低的方向运动,其运动方向主要由材料表面结构决定,而与流体本征性质无关。“我们发现其运动行为不仅与材料和结构有关,与流体本身性质也有关。”冯诗乐及其合作者通过高速相机反复观测液体在南洋杉及仿南洋杉结构功能表面上的运动规律,发现液体在表面上水平运动的同时,还伴随着垂直方向的运动,这种三维固液界面交互作用能够调控液体的铺展模式,从而实现快速、长程、自主择向的流体可控输运。

“我们的研究团队有一个共同的爱好,去公园、市场经常会随身携带针管和水,遇到好看结构的树叶,会把水滴到上面观察其运动行为。”冯诗乐笑着对记者说,即便成果已经发表,现在团队的成员看到叶子表面,依然有拿针管滴一下的冲动。“那些叶子表面结构太优美了。”谈起热爱的科研事业,内敛的冯诗乐仿佛打开了话匣子,兴奋地向记者描述发现和探索的过程。“我们要将论文写在祖国大地上,让成果落地转化,助力祖国科技和经济发展。”

时间回到2012年,初入北京航空航天大学读研的冯诗乐还是科研的“门外汉”,“现在回头看,发现当时并不懂怎么去做研究”。冯诗乐表示,在硕士导师侯永平副教授和博士导师郑咏梅教授的带领下,对研究方向才有了清晰理解,深刻认识到研究内容对行业的意义,慢慢将科研探索变成了一种追求。如果说北京航空航天大学的经历延伸了冯诗乐的研究深度,那么香港城市大学的博士后经历则拓展了他的视野宽度。在大连理工大学机械工程学院担任教师之后,身份的转变让冯诗乐又有了更深层次的理解:科研不单是自身的喜好和追求,更关系到国家的发展和富强。正如习近平总书记在科学家座谈会上强调的,科学研究应坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康,不断向科学技术广度和深度进军。冯诗乐表示,“最初,研究对于我而言是被动的任务,但现在,它是我要坚定走下去的路。”

走出实验室的困惑

与热爱相对应的,还有冯诗乐对科研工作的困惑——如何让科技成果从实验室走向市场,提升科技成果转化率。

“我们是基础研究,研究机理是强项,即便知道其应用前景,也很难产出满足实际应用的产品。”初入科研领域,冯诗乐也在探索科技成果市场化的有效路径。他认为目前国家倡导基础研究与实际应用相结合,科技工作者要面向国家的重大需求,让科研转化成实际产业,真正释放其价值。

“从0到1主要看的就是科技创新,但科技不光要有研究的广度,还要有深度。”在冯诗乐看来,我国当前在科技广度的发展规模总量趋于世界先进水平,但创新性、突破性成果与发达国家尚有差距。“所以我未来会更加注重科研的深度,立足国情,从根本上解决实际难题。”

从实际出发,冯诗乐及其团队目前的研究主要立足于表界面流体行为操控,当前这个方向的应用前景非常广泛。“包括水收集、冷凝换热、界面减阻、喷墨打印、微流控、抗结冰、自清洁、防污、防腐、能源收集等领域。”冯诗乐介绍,微小单元流体的运动具有独特的内部机制,需要依靠流体与表面微/纳米结构之间的相互作用实现流体运动行为的精确控制,如让其停滞、反向、收缩、膨胀。“还有飞机表面的抗结冰功能,目前已经有研究所、航天机构联系我们课题组进行相关实验。”

“研究成果能否真正地产业化,与其可靠性、稳定性、持久性和市场匹配度相关。”冯诗乐对科技成果从实验室走向市场的路径有着深入思考,他认为对于“90后”科研工作者而言,欠缺的不是成果,而是成果能适配市场中的什么需求、解决生产中的哪些问题、什么环节需要这方面的技术。下一步,他计划多了解生产中的实际需求。

“但这并不意味着要轻视实验室里的基础研究。”冯诗乐补充道,基础研究并非要在了解需求之后,而是双向并行、相辅相成。“产业需求不能放弃,面向国家重大需求这一点不能放弃,但是关于基础研究的探索,关于科学最本质的探索也同等重要,一定要两方兼顾才有利于综合发展。”冯诗乐认为,基础研究有其本身价值,《科学》杂志上的论文价值可能要在10—20年后才会凸显。“像很多诺贝尔奖得主,其成果多数都是在几十年之后,才会被人们看到价值。”

让“00后”从实验室的“客人”变为“主人”

“现在‘90后’的科技工作者刚刚进入科研阶段,也处在培养下一代科研工作者的阶段,具有承上启下的责任。”冯诗乐认为,“90后”科技工作者目前承担着将科研精神传播到新一代身上的责任。

在承担大连理工大学机械工程学院科研工作的同时,冯诗乐还兼任学院大一机械专业的班主任。这些孩子多数出生于2002年之后,经过一段时间的相处,冯诗乐发现他们具有独立想法、见解、人格,“个性比‘90后’更鲜明”。与之相呼应的,是如何引导他们利用好自己的独立见解。因此冯诗乐在学生刚入学就带领他们走进实验室、做创新实验。“我只指导具体操作,实验结果和现象需要他们独立探索、发现和总结。”冯诗乐认为,走进实验室不是目的,能够利用好实验室,让“00后”从实验室的“客人”变为“主人”才是目的。与此同时,他还严格培养学生的科研习惯,要求他们多次获取、反复验证实验数据。“以前我认为导师要求严格,现在自己做了导师才发现,只有反复测量,才能确保实验数据的精确,将之真正写入科研论文。”

“我上学的时候要到大四才有机会进入实验室,这为我读研时期的学习带来了一些隐患。”总结自己学生时代的经验,冯诗乐引导学生在实验室中自己探索,提前涉猎科研论文,为日后的科研道路做好铺垫,助力捕捉科研重点。“提前走进实验室,会助力学生发现更好的自己,为有志于从事科研工作的学生奠定坚实基础。”

在采访中,冯诗乐提及最多的是“努力”,这是他的科研态度,也是他的人生态度。在谈到崇拜的科学家时,冯诗乐表示最崇拜的,是始终坚持为人类科学发展默默付出的人们。脚踏实地、默默努力的冯诗乐就像一棵延展在阳光下的南洋杉,看似平凡却熠熠生辉,倔强且骄傲地向阳生长着——谁说平凡岁月不会闪光,南洋杉叶的斑驳,注定与众不同。

本文刊于《教育家》2022年1月刊第4期,原标题《对弈平凡的开拓者——专访大连理工大学副教授冯诗乐》

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    “人处在一种默默奋斗的状态,精神就会从琐碎生活中得到升华。”