國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會｜郭萬林院士：從水獲電，開創(chuàng)綠色可持續(xù)發(fā)展新途徑
2024-06-24 14:58
國家自然科學(xué)獎二等獎——
基于固液界面力電耦合的水伏效應(yīng)
科幻小說《流浪地球》向人們拋出了一個問題：面對不可改變的太陽運行規(guī)律和對地球的影響，人類如何持續(xù)發(fā)展？在納尺度物理力學(xué)領(lǐng)域探索20余年，郭萬林院士帶領(lǐng)團隊用一項又一項原創(chuàng)性、突破性的研究成果給出前瞻性答案——水伏學(xué)。
南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院郭萬林院士團隊完成的“基于固液界面力電耦合的水伏效應(yīng)”此次榮獲國家自然科學(xué)二等獎。“我們要站在世界科學(xué)前沿，做原創(chuàng)性、引領(lǐng)性的研究。”這是郭萬林院士經(jīng)常說起的一句話，“水伏學(xué)”的誕生正是團隊踐行這句話的真實寫照。
“找到一個‘撬起地球’的支點”
郭萬林院士說，從事科學(xué)研究近40年的時間，他帶領(lǐng)團隊主要做了兩件事情，一是發(fā)展三維疲勞斷裂理論，“讓我們的飛行器發(fā)動機運行得更持久、更安全、更經(jīng)濟”，二是“在科學(xué)前沿探索中貢獻自己的智慧”。
科學(xué)前沿的探索往往是“孤勇者”的“戰(zhàn)斗”，但決定帶領(lǐng)團隊錨定一個方向，并“一條道走到底”的時候，需要的不只是“勇氣”，更是在長期的探索積累和思考洞察中，找到“像‘撬起地球’一樣的一個支點”。
早在20世紀(jì)末，郭萬林即敏銳地察覺到科學(xué)研究前沿即將邁入納米科技時代。于是，他毅然帶領(lǐng)團隊從疲勞斷裂力學(xué)研究深入到基于量子力學(xué)理論的納米科學(xué)研究，牽頭在南航成立了納米科學(xué)研究所，成為國際上率先專注納米科學(xué)研究的科研機構(gòu)之一。
2003年，郭萬林指導(dǎo)博士生郭宇鋒連續(xù)在《物理評論快報》發(fā)表兩篇關(guān)于能量耗散和力電耦合的文章，為南航在納米科學(xué)領(lǐng)域開始建立國際影響力。從此，團隊不斷開拓進取，從最初的低維功能材料的“力電耦合”到“力電磁耦合”再到“力電磁光熱耦合”，建立起低維納米體系多場耦合的物理力學(xué)理論體系，部分成果獲得2012年國家自然科學(xué)獎二等獎。
隨著理論研究的深入和實驗條件的改善，團隊在實驗研究中也相繼取得重要突破。“水伏效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)源自一次偶然的實驗現(xiàn)象，郭老師親自帶著我們在實驗中敏銳地關(guān)注到了石墨烯薄膜進出水溶液時其兩端意外產(chǎn)生的電壓信號。”當(dāng)時的團隊在讀博士研究生殷俊回憶道。
經(jīng)過三年多由微入著的深入研究，2014年，針對這一現(xiàn)象的相關(guān)成果發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》上，是南航作為第一完成單位的第一篇《自然》大子刊文章。獲得國際同行“拓展了動電效應(yīng)兩百年的經(jīng)典理論”“先驅(qū)性的結(jié)果”等評價。
2018年，團隊以“水伏技術(shù)的曙光”（emerging hydrovoltaic technology）為題在《自然—納米技術(shù)》上發(fā)表相關(guān)成果，首次提出水伏效應(yīng)（hydrovoltaic effect），這一新概念，被配以編輯按專題評論，給予高度認(rèn)可，并在期刊封面推薦：編輯在團隊提出的水伏（hydrovoltaic）一詞后面加了“s”，“水伏學(xué)hydrovoltaics：從水獲電的新途徑”從此誕生。
在郭萬林看來，水伏就是他們尋找的人類可持續(xù)發(fā)展新能力的“支點”，這個“支點”將翹起人類應(yīng)對全球氣候變暖、利用太陽光熱的能力。水伏效應(yīng)為提升人類消納利用太陽光熱提供了新的科學(xué)途徑。發(fā)電方式從“拖曳勢”的滴水發(fā)電再到“波動勢”的波浪發(fā)電再到水自然蒸發(fā)發(fā)電的“蒸發(fā)勢”，發(fā)電材料從石墨烯到其他更為廣泛的材料，“從水中甚至空中取電”已不再是“異想天開”，一個從0到1的生動闡釋。
可以暢想一下，在70％表面被海水包裹的地球上，當(dāng)雨滴、波浪、水蒸發(fā)都可以發(fā)電，對于人類發(fā)展來說，將意味著什么？
翻過一座座“難以企及”的山峰
實驗突破是激動人心的，但如何讓實驗室的成果飛入“尋常百姓家”，無疑是更具挑戰(zhàn)性的。
把一個基礎(chǔ)的科學(xué)現(xiàn)象發(fā)展成為一項新的技術(shù)的難度往往是難以估量的。最初發(fā)現(xiàn)的水伏效應(yīng)電信號極其微弱，必須用高靈敏的電表才能測出毫伏級的發(fā)電量。經(jīng)過幾年的發(fā)展，在2019年團隊獲批國家重點研發(fā)計劃變革性技術(shù)項目資助的時候，他們已經(jīng)實現(xiàn)了1伏、微安量級的發(fā)電量。
在該項目任務(wù)書中，他們提出五年內(nèi)力爭達到“10v＠10ma”（電壓達10伏、電流達10毫安）的目標(biāo)。當(dāng)時在團隊成員看來，這個目標(biāo)“即使不是珠穆朗瑪峰，也是像青藏高原一樣”難以企及的一個高度。
從那個時候開始，團隊就一直把這個目標(biāo)掛在了實驗室最顯著的位置，這一掛就是四年。在這四年時間中，團隊在理論計算和實驗研究中交叉迭代，不停地嘗試新的方案，設(shè)計新的實驗器件，探索新的發(fā)電方式，最終在2023年提前實現(xiàn)了這一看似不可企及的目標(biāo)。
而在這一過程中，他們已經(jīng)不記得在實驗室度過了多少個日日夜夜�；厥走@段歷程，團隊成員張助華說：“這種體驗就是痛并快樂著，科學(xué)家比普通人更能體會什么叫‘寂寞’，什么叫‘柳暗花明又一村’，因為我們要在沒有路的地方找到一條路。”
團隊正朝著實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的目標(biāo)繼續(xù)探究，但他們明白這還有很長一段路要走，而且這路并不那么容易。“正是因為不容易才有意義，如果容易的話就不叫科學(xué)探索。如今，我們之前項目目標(biāo)完成了，我們要重新確定一個新的目標(biāo)掛在實驗室。”郭萬林說。
“跳出舒適圈，去探索無人區(qū)”
在國際科學(xué)界熱議“水伏學(xué)”的時候，團隊的成員們卻保持高度理性。“水伏學(xué)還有大量的基礎(chǔ)和技術(shù)問題沒有解決，我們要持續(xù)攻堅克難，引領(lǐng)水伏學(xué)的發(fā)展。”郭萬林院士這樣對記者說。
水伏學(xué)涉及力學(xué)、物理、化學(xué)、材料、信息、生物等交叉學(xué)科問題，對團隊成員的知識架構(gòu)提出了嚴(yán)苛要求。團隊成員仇虎教授介紹，20多年來，每周的組會，郭萬林都要求學(xué)生匯報科學(xué)前沿的最新進展，包括物理、化學(xué)、生物等多個學(xué)科門類，并提出自己的理解和觀點。郭萬林院士一直堅持閱讀最新文獻，看到有啟發(fā)之處就分享給團隊教師和學(xué)生。正是對前沿進展的敏銳和點滴積累培養(yǎng)了團隊成員高水平的研究能力。
2023年7月19日，國際著名學(xué)術(shù)期刊《nature》發(fā)表了水伏科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新團隊殷俊教授作為共同一作和共同通訊作者的合作研究論文＂mixing of moiré－surface and bulk states in graphite＂。這篇文章的發(fā)表也是學(xué)校在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域探索的一項突破性成果。
“郭老師始終對未知保持強烈好奇心和敏銳判斷力，這一點一直驅(qū)動著團隊不斷往前探索和嘗試。”張助華說。
如今，水伏能源技術(shù)被越來越多的人跟進研究，已發(fā)展成為國際學(xué)術(shù)研究的新興領(lǐng)域，郭萬林卻要帶領(lǐng)團隊“跳出舒適圈，去探索無人區(qū)”。我們的大腦、大腦里的每個神經(jīng)元都含有70％以上的水，沒有晶體管、沒有導(dǎo)線，它們是怎么工作的、產(chǎn)生智慧的？“我們要去試著解決人類的難題：從水伏能源、到水伏生態(tài)、水伏智能。”這是他們繼續(xù)前行的愿景。
郭萬林說，20多年前他就培育一小支隊伍，從膜蛋白水通道和離子通道的結(jié)構(gòu)－功能關(guān)聯(lián)入手，開始研究人類大腦的工作機制。“腦電如何產(chǎn)生、大腦如何工作，在微觀層面上都有類似水伏效應(yīng)的基本問題。”隨著水伏科學(xué)基本問題研究的深入和不斷突破，他們開始了“水伏能源、水伏生態(tài)、水伏智能”背后共同的基本科學(xué)問題的研究。
“為天地立心，為生民立命，為往圣繼絕學(xué)，為萬世開太平”為北宋大儒張載的名言，被馮友蘭概括為“橫渠四句”，出生于與橫渠鎮(zhèn)同縣的首善鎮(zhèn)的郭萬林，從小受這句話的浸潤。如今，他帶領(lǐng)團隊，帶著對未知領(lǐng)域的好奇心、對前沿探索的求知欲以及沉下心鉆研的持久勁，朝著新的目標(biāo)，繼續(xù)“撬起”未來科學(xué)的發(fā)展：“解國家急需，謀持續(xù)發(fā)展”。
新華日報·交匯點記者 楊頻萍
通訊員 王偉
上觀號作者：交匯點
