國家科學技術獎勵大會｜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
國家自然科學獎二等獎——
基于固液界面力電耦合的水伏效應
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？在納尺度物理力學領域探索20余年，郭萬林院士帶領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。
南京航空航天大學航空學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”此次榮獲國家自然科學二等獎。“我們要站在世界科學前沿，做原創(chuàng)性、引領性的研究。”這是郭萬林院士經(jīng)常說起的一句話，“水伏學”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，從事科學研究近40年的時間，他帶領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“在科學前沿探索中貢獻自己的智慧”。
科學前沿的探索往往是“孤勇者”的“戰(zhàn)斗”，但決定帶領團隊錨定一個方向，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世紀末，郭萬林即敏銳地察覺到科學研究前沿即將邁入納米科技時代。于是，他毅然帶領團隊從疲勞斷裂力學研究深入到基于量子力學理論的納米科學研究，牽頭在南航成立了納米科學研究所，成為國際上率先專注納米科學研究的科研機構之一。
2003年，郭萬林指導博士生郭宇鋒連續(xù)在《物理評論快報》發(fā)表兩篇關于能量耗散和力電耦合的文章，為南航在納米科學領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理論體系，部分成果獲得2012年國家自然科學獎二等獎。
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)象的相關成果發(fā)表在《自然—納米技術》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“拓展了動電效應兩百年的經(jīng)典理論”“先驅(qū)性的結果”等評價。
2018年，團隊以“水伏技術的曙光”（emerging hydrovoltaic technology）為題在《自然—納米技術》上發(fā)表相關成果，首次提出水伏效應（hydrovoltaic effect），這一新概念，被配以編輯按專題評論，給予高度認可，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”將翹起人類應對全球氣候變暖、利用太陽光熱的能力。水伏效應為提升人類消納利用太陽光熱提供了新的科學途徑。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。
把一個基礎的科學現(xiàn)象發(fā)展成為一項新的技術的難度往往是難以估量的。最初發(fā)現(xiàn)的水伏效應電信號極其微弱，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。當時在團隊成員看來，這個目標“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。
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探索。如今，我們之前項目目標完成了，我們要重新確定一個新的目標掛在實驗室。”郭萬林說。
“跳出舒適圈，去探索無人區(qū)”
在國際科學界熱議“水伏學”的時候，團隊的成員們卻保持高度理性。“水伏學還有大量的基礎和技術問題沒有解決，我們要持續(xù)攻堅克難，引領水伏學的發(fā)展。”郭萬林院士這樣對記者說。
水伏學涉及力學、物理、化學、材料、信息、生物等交叉學科問題，對團隊成員的知識架構提出了嚴苛要求。團隊成員仇虎教授介紹，20多年來，每周的組會，郭萬林都要求學生匯報科學前沿的最新進展，包括物理、化學、生物等多個學科門類，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，國際著名學術期刊《nature》發(fā)表了水伏科學與技術創(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)表也是學校在基礎研究領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，水伏能源技術被越來越多的人跟進研究，已發(fā)展成為國際學術研究的新興領域，郭萬林卻要帶領團隊“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構－功能關聯(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的基本問題。”隨著水伏科學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問題的研究。
“為天地立心，為生民立命，為往圣繼絕學，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，他帶領團隊，帶著對未知領域的好奇心、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，繼續(xù)“撬起”未來科學的發(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
