“中國科大近代力學系計算力學實驗室”團隊在實驗室的工作照。中青報·中青網(wǎng)記者 王海涵/攝
王奉超教授在實驗室。中國科技大學供圖
近日，中國科學技術(shù)大學王奉超特任教授與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學安德烈·海姆（2010年諾貝爾物理學獎得主）教授團隊合作，在納米限域毛細凝聚研究方面取得了重要進展，成果于12月10日發(fā)表在國際著名學術(shù)期刊《自然》上。
在宏觀尺度，當水蒸氣在空氣中的分壓達到飽和蒸氣壓時，水開始凝聚；但當尺度減小，表面張力使氣液界面彎曲，凝聚壓強也發(fā)生變化，這一現(xiàn)象被開爾文方程定量描述。
在本項工作中，中國科大研究團隊通過理論分析和計算模擬發(fā)現(xiàn)了在納米限域毛細凝聚中，固液界面力學作用扮演了重要的角色，而不是人們普遍認為的液氣界面。據(jù)此，他們修正了經(jīng)典的開爾文方程，建立了納米限域毛細凝聚的新理論，并將方程適用性拓展到亞納米尺度。
王奉超介紹，該研究不僅為理解納米限域毛細凝聚提供了關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)，且在微電子、制藥、食品等行業(yè)具有非常重要的實際應用前景。
王奉超所在的團隊名叫“中國科大近代力學系計算力學實驗室”，主攻方向為“微納結(jié)構(gòu)材料力學行為和設(shè)計”“固液界面力學與限域傳質(zhì)”和“計算力學方法及應用”等。實驗室學術(shù)帶頭人是中國科大工程科學學院執(zhí)行院長吳恒安，團隊20多人，90%都是30歲以下的青年研究生。
這是一支年輕的團隊，但同樣戰(zhàn)功赫赫。近年來，實驗室?guī)ь^人吳恒安榮獲高等教育國家級教學成果二等獎、寶鋼優(yōu)秀教師特等獎等，王奉超也先后入選中國科協(xié)青年人才托舉工程和中科院青年創(chuàng)新促進會，并于2019年獲得國家自然科學基金委優(yōu)秀青年基金資助。
值得一提的是，實驗室與英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授課題組合作延續(xù)了11年，研究成果已經(jīng)有10篇文章發(fā)布于《自然》和《科學》正刊。
近日，中青報·中青網(wǎng)記者走進該實驗室。力學方程、理論建模、程序設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、模擬研究……這些外人眼中平淡冷門甚至枯燥無聊的名詞，卻是該團隊日復一日、孜孜不倦的科研追求，也是這幫年輕人勇攀科研高峰的根基源泉。
“每個科研成果都要熬上幾年”
科研賽道上，比拼的是毅力和堅持，這背后，離不開科研興趣這一重要驅(qū)動力。
王奉超回憶，上述研究在2016年就已開展。2017年5月，論文合作者找到自己，想尋求二維材料模擬支持，構(gòu)筑搭建毛細通道。王奉超做了幾個月都沒有進展，心里也沒底，一直琢磨如何攻克難題。
王奉超一直有個習慣，躺在床上想idea，經(jīng)常半夜醒來，想一段時間，再去睡覺。2018年年初的一天夜里，他突然想到了一個方案，趕緊爬起來將思路寫下來，后經(jīng)團隊反復修改，又花幾個月整理文字和制圖，最終論證成功，也為今年文章的發(fā)表奠定了基礎(chǔ)。
在別人看來，王奉超的生活很單調(diào)，“發(fā)發(fā)文章、上上課”，過著一眼能看到退休的生活。“但是，每當想到一個解決問題的關(guān)鍵idea，那種刺激的興奮感會持續(xù)很多天，甚至好幾天睡不著覺”。王奉超坦言，回憶自己的科研之路，這種興奮感和疲憊感、困惑感是交替出現(xiàn)的。
2003年，王奉超來到中國科大理論與應用力學專業(yè)讀本科。大二時，他就一頭扎進了學校實驗室，跟著師兄聽課。當時，他模擬分析了化工容器里的氣體流動，通過模型計算，讓氣體混合得更均勻，他覺得“挺好玩的”，從此喜歡上了模擬實驗。
大學期間，王奉超還和志同道合的網(wǎng)友交流，學習軟件源代碼程序，提高模擬計算水平。“網(wǎng)友的幫助讓我感觸很深，甚至有人從頭到尾教我寫代碼，我決心要學會這個，教會更多人”。
2010年，王奉超攻關(guān)一項固體表面液滴動力學研究，測算兩個液滴合并彈起的速度，好幾個月都沒突破，陷入了瓶頸期，他沒有因此放棄。
一年以后，他突然靈光一現(xiàn)，意識到不光是表面能影響研究結(jié)果，還有黏性耗散的影響，隨后成功發(fā)表論文。那一年，他覺得，自己才算真正和科研沾上邊兒。
2012年6月，成為博士后的王奉超進入?yún)呛惆驳膶嶒炚n題組，他也慢慢成長起來。“我是個追求完美的人，有時看到一些經(jīng)典力學方程在實際應用中有缺陷，就會十分著急，總想著給方程加一個修正項，讓方程應用性更全一些，這逼著我不斷探索求知”。
這些年來，王奉超早已習慣用半年或更長時間做重復的事情。“每個科研成果都要熬上幾年，甚至好多次把之前的成果推倒重來。”他覺得，這是提升科研實力、消化吸收知識的過程。
“科研之旅，支撐前行的就是興趣，要有耐心和試錯的勇氣，哪怕走到死胡同，也不要覺得浪費時間，每次失敗都是財富。”35歲的王奉超感慨，科研就像爬山，一座山后面還有更高的山，挑戰(zhàn)會越來越大，目光要更放長遠，找到奮斗的方向。
“理論和實驗是平等的”
除了懷揣濃厚的科研興趣，在堅守和奮斗中找到新思路、發(fā)現(xiàn)新問題，也是該團隊的共同特質(zhì)。實驗室?guī)ь^人吳恒安的科研之路就是不斷創(chuàng)新、發(fā)現(xiàn)之路。
吳恒安回憶，2009年的一天，他給英國曼徹斯特大學安德烈·海姆教授寫信，想去其組里做訪問研究。“當時，安德烈教授向全世界招募科研人員，研究石墨烯在各個領(lǐng)域的特性。第二天早上，他就回了一封長長的信給我，因為我有力學研究背景，希望我去幫他完成交叉學科研究”。
隨后，吳恒安與安德烈教授課題組合作，利用氧化石墨烯制作出一種新型隔氣透水材料。該材料神奇之處在于，絕大多數(shù)液體和氣體都無法通過它，但水蒸氣可以暢通無阻。
吳恒安介紹，那次實驗中，團隊發(fā)現(xiàn)水蒸氣能夠通過該材料，但有了結(jié)果，卻不清楚科學原因，海姆教授就讓吳恒安用力學原理來解釋這種現(xiàn)象。
吳恒安按宏觀模型的思路去推導，半年后，發(fā)現(xiàn)研究思路不對。但在一次次失敗和試錯中，他反而提煉出一個新的理論：蒸發(fā)和毛細聯(lián)合驅(qū)動水定向輸運。
“我必須要把它搞清楚，發(fā)現(xiàn)其中的科學機理。”經(jīng)過日夜鏖戰(zhàn)，吳恒安設(shè)計了全新的實驗方案，驗證了提出的新理論的科學性。
上述研究成果刊登在2012年1月27日的《科學》雜志上，在國際學術(shù)界引起巨大反響。之后，吳恒安和安德烈教授開始長期合作，安德烈教授團隊負責實驗，吳教授團隊負責建模解釋實驗結(jié)果。
這次科研也給了吳恒安新的啟發(fā)：實驗和理論是平等的，二者要結(jié)合，互相支撐，理論不只是為了解釋實驗結(jié)果，也可以指導實驗。
沿著這一思路，2016年10月13日，吳恒安教授團隊與海姆教授團隊在石墨烯納米通道水輸運方面取得重要研究進展，合作成果發(fā)表在《自然》上。吳恒安團隊采用理論分析和分子模擬研究納米通道中的水傳輸機理，發(fā)現(xiàn)固液界面力學作用對納米流動行為具有決定性影響，為納米尺度物質(zhì)輸運提供了新的平臺和思路。
科研是“共同體”，團隊以學生為中心
45歲的吳恒安至今記得，27年前，自己被中國科大錄取時的情景：高考前填報志愿，他沒見過招生老師，沒有網(wǎng)絡(luò)，連電話都沒有。直到接到鄉(xiāng)村郵遞員遞來的信封的那一刻，他才知道自己被中國科大錄取。那份狂喜永生難忘。
他一直珍藏著那本漂亮的紅色錄取通知書。因為那代表他18歲的初心——努力攀登科學技術(shù)高峰。吳恒安在科大以優(yōu)異的成績完成本科到博士的學業(yè)，獲得了中國科學院院長獎，十幾年來，他也將自己大部分時間投入到學生培養(yǎng)中。
他始終堅信，科研是一個“共同體”，每個人、每個環(huán)節(jié)都很重要。團隊要有共同的志向和價值觀，追求學術(shù)卓越和突破，教學相長。“要給學生機會，為他們創(chuàng)造環(huán)境，尊重每個人的觀點，讓每個人都有發(fā)揮空間”。
實驗室主要設(shè)有3個研究方向，導師習慣和學生待在一起，擠在一個小辦公室里討論問題，一聊就是一整天。老師們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，飯后學生們又聚在電腦旁邊討論問題。
每年，實驗室有學生畢業(yè)，會統(tǒng)一在學校附近咖啡館舉辦送別活動。除了常規(guī)的道別、感謝環(huán)節(jié)，畢業(yè)生一定會和師弟師妹們說道說道科研的心得、建議，以及克服困難的經(jīng)驗，把科研真經(jīng)傳授下去。
“團隊中，學生甚至要學習很多物理、化學、英語知識，克服交叉研究中的困難。有時，一年可能出不了幾篇文章，但是大家堅信，所做的研究是有意義的。”在吳恒安看來，科研過程中，每天都在面對困難，沒有困難，科研就沒有意義，做科研，就是為了挑戰(zhàn)困難，定力很重要。
“我還經(jīng)常鼓勵學生，不光要埋頭做研究，要經(jīng)常切磋，通過組會報告、參加學術(shù)會議等方式來鍛煉溝通交流能力。”吳恒安告訴記者。
如何看待成果轉(zhuǎn)化
一路走來，很多人時常向吳恒安問道：“做研究有什么用？”
“別人沒有發(fā)現(xiàn)的，我們發(fā)現(xiàn)了，這是做‘全世界第一個人’的成就感。發(fā)表的成果也能為別人所用，是我們的職業(yè)要求。”他說。
有幾次，一篇文章發(fā)表之后，很多企業(yè)打電話來表示要投資其中的成果，但吳恒安覺得，科學理論到技術(shù)應用要有一個過程，不可能立馬落地。“科研不是為了今天和明天，而是為了后天！”
也有人覺得，“做科學就是為了技術(shù)應用，就是為了掙錢。”但吳恒安認為，作為青年科研工作者，在當下自由探索的環(huán)境和條件下，應該更加熱愛事業(yè)，潛心科研，不能稍有成果，就把精力轉(zhuǎn)移到項目如何產(chǎn)業(yè)化上。待到各方面時機成熟，成果轉(zhuǎn)化自然水到渠成。
近年來，正是在雄厚的理論研究基礎(chǔ)上，該實驗室和中石油勘探院、大慶油田等單位合作，研究增產(chǎn)措施。近年來，吳恒安的納米限域傳質(zhì)研究派上了大用場。簡單來說，當油藏巖石孔隙尺寸到了納米級別，如何進行有效的油氣開采，就要運用納米通道物質(zhì)輸運的微觀力學機理。
“我們的科研成果服務于非常規(guī)油氣開采研究，這是有挑戰(zhàn)性的技術(shù)突破，變革了新的開采方案，降低開采成本。”吳恒安說，由此可見，科研并非“無用”，科學的前沿和國家的需求是相關(guān)的，國家存在一些研發(fā)瓶頸，總需要有人去做基礎(chǔ)研究，進而一步步突破關(guān)鍵科學問題。
對此，他常告誡學生：“有些研究感覺離我們很遠，但其實是我們生活中必不可少的。只有研發(fā)出高水平成果，轉(zhuǎn)化才有意義，科研板凳要坐十年冷。”
王奉超也持相同觀點。他覺得，年輕科研者不要一味為了發(fā)文章而“追熱點”，科研也是訓練解決難題、培養(yǎng)團隊協(xié)作能力的過程。只要堅持，總會在某個領(lǐng)域“挖到礦”。(記者 王海涵 王磊 通訊員 范瓊)
(責任編輯：張云文)
