“中國科大近代力學(xué)系計算力學(xué)實驗室”團(tuán)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(xué)供圖

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王奉超特任教授與諾貝爾物理獎得主、英國曼徹斯特大學(xué)安德烈·海姆（2010年諾貝爾物理學(xué)獎得主）教授團(tuán)隊合作，在納米限域毛細(xì)凝聚研究方面取得了重要進(jìn)展，成果于12月10日發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

在宏觀尺度，當(dāng)水蒸氣在空氣中的分壓達(dá)到飽和蒸氣壓時，水開始凝聚；但當(dāng)尺度減小，表面張力使氣液界面彎曲，凝聚壓強(qiáng)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(tuán)隊通過理論分析和計算模擬發(fā)現(xiàn)了在納米限域毛細(xì)凝聚中，固液界面力學(xué)作用扮演了重要的角色，而不是人們普遍認(rèn)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(xì)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(xì)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(yīng)用前景。

王奉超所在的團(tuán)隊名叫“中國科大近代力學(xué)系計算力學(xué)實驗室”，主攻方向為“微納結(jié)構(gòu)材料力學(xué)行為和設(shè)計”“固液界面力學(xué)與限域傳質(zhì)”和“計算力學(xué)方法及應(yīng)用”等。實驗室學(xué)術(shù)帶頭人是中國科大工程科學(xué)學(xué)院執(zhí)行院長吳恒安，團(tuán)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(tuán)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(xué)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(jìn)會，并于2019年獲得國家自然科學(xué)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(xué)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(xué)》正刊。

近日，中青報·中青網(wǎng)記者走進(jìn)該實驗室。力學(xué)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(tuán)隊日復(fù)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(xì)通道。王奉超做了幾個月都沒有進(jìn)展，心里也沒底，一直琢磨如何攻克難題。

王奉超一直有個習(xí)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(tuán)隊反復(fù)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(dāng)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(yīng)用力學(xué)專業(yè)讀本科。大二時，他就一頭扎進(jìn)了學(xué)校實驗室，跟著師兄聽課。當(dāng)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(xué)期間，王奉超還和志同道合的網(wǎng)友交流，學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)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(jìn)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(xué)方程在實際應(yīng)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(yīng)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(xí)慣用半年或更長時間做重復(fù)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(yuǎn)，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(tuán)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(xué)安德烈·海姆教授寫信，想去其組里做訪問研究。“當(dāng)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(xué)研究背景，希望我去幫他完成交叉學(xué)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(tuán)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(xué)原因，海姆教授就讓吳恒安用力學(xué)原理來解釋這種現(xiàn)象。

吳恒安按宏觀模型的思路去推導(dǎo)，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(xì)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(xué)機(jī)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(xué)性。

上述研究成果刊登在2012年1月27日的《科學(xué)》雜志上，在國際學(xué)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(tuán)隊負(fù)責(zé)實驗，吳教授團(tuán)隊負(fù)責(zé)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(dǎo)實驗。

沿著這一思路，2016年10月13日，吳恒安教授團(tuán)隊與海姆教授團(tuán)隊在石墨烯納米通道水輸運方面取得重要研究進(jìn)展，合作成果發(fā)表在《自然》上。吳恒安團(tuán)隊采用理論分析和分子模擬研究納米通道中的水傳輸機(jī)理，發(fā)現(xiàn)固液界面力學(xué)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(tuán)隊以學(xué)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(xué)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(xué)業(yè)，獲得了中國科學(xué)院院長獎，十幾年來，他也將自己大部分時間投入到學(xué)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(tuán)隊要有共同的志向和價值觀，追求學(xué)術(shù)卓越和突破，教學(xué)相長。“要給學(xué)生機(jī)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(dǎo)師習(xí)慣和學(xué)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(xué)生們又聚在電腦旁邊討論問題。

每年，實驗室有學(xué)生畢業(yè)，會統(tǒng)一在學(xué)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(tuán)隊中，學(xué)生甚至要學(xué)習(xí)很多物理、化學(xué)、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(xué)生，不光要埋頭做研究，要經(jīng)常切磋，通過組會報告、參加學(xué)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(xué)理論到技術(shù)應(yīng)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(xué)就是為了技術(shù)應(yīng)用，就是為了掙錢。”但吳恒安認(rèn)為，作為青年科研工作者，在當(dāng)下自由探索的環(huán)境和條件下，應(yīng)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(jī)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(dāng)油藏巖石孔隙尺寸到了納米級別，如何進(jìn)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(xué)機(jī)理。

“我們的科研成果服務(wù)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(xué)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(jìn)而一步步突破關(guān)鍵科學(xué)問題。

對此，他常告誡學(xué)生：“有些研究感覺離我們很遠(yuǎn)，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(xùn)練解決難題、培養(yǎng)團(tuán)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)

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