2016年4月7日，世界頂級期刊Nature在線發(fā)表了我校機械工程及自動化學(xué)院陳華偉教授、張德遠(yuǎn)教授團隊的最新研究成果“ContinuousdirectionalwatertransportontheperistomesurfaceofNepenthesalata”（《豬籠草口緣區(qū)表面液膜連續(xù)定向搬運機制》）。消息傳來，引起社會熱切關(guān)注和媒體的廣泛報道。
明媚的午后，記者如約在張老師的辦公室見到了該研究的四位主要作者：張德遠(yuǎn)教授、陳華偉教授、博士生張鵬飛、博士生張力文。幾句簡單的介紹后，張老師微笑著談起他們的研究。
水可以倒著流：
小小豬籠草的奇妙啟示“你知道豬籠草吧？”見記者稍顯迷惑，張德遠(yuǎn)教授笑著說，“豬籠草是一種生活在舊大陸熱帶地區(qū)的植物，它有著濕潤的‘嘴唇’，當(dāng)昆蟲在其‘嘴唇’表面爬行時，常常會‘失足’滑落進(jìn)捕蟲籠內(nèi)。我們通過深入表征分析豬籠草口緣區(qū)微觀結(jié)構(gòu)特征，驚奇地發(fā)現(xiàn)，液體在豬籠草口緣能夠沿著單一方向快速搬運，從而首次發(fā)現(xiàn)液膜單方向搬運的神奇現(xiàn)象。也就是說，在豬籠草的口緣區(qū)，水可以從低往高流?！?br> 張德遠(yuǎn)教授說，課題組在Nature上發(fā)表的研究，是從認(rèn)知自然、師法自然出發(fā)，揭示自然生物原型體表表面單方向液體搬運新現(xiàn)象，開創(chuàng)性地提出了無動力自潤滑防粘新理念，對解決微創(chuàng)手術(shù)器械防粘技術(shù)難題具有重要參考價值。
一直以來，各國科學(xué)家們對豬籠草類葉片形貌做了大量微觀表征，對其表面微納結(jié)構(gòu)特征也有一些了解。但是，很多研究僅僅局限在微觀結(jié)構(gòu)表征上，很少涉及到表面結(jié)構(gòu)特征與液體介質(zhì)間微觀尺度上的作用機制研究。而豬籠草口緣區(qū)液膜單方向搬運的神奇現(xiàn)象，是張德遠(yuǎn)教授團隊以微創(chuàng)醫(yī)療器械表面超滑防粘為目標(biāo)導(dǎo)向，首次揭示的。
研究團隊通過液體、氣體在界面上微觀流動的動態(tài)觀測，揭示了單方向液膜搬運機理，提出了基于梯度楔形盲孔、梯度拱形邊緣的單方向液膜搬運表面的仿生設(shè)計新方法；通過對比試驗，進(jìn)一步發(fā)展了傳統(tǒng)泰勒毛細(xì)升理論，提出了梯度泰勒毛細(xì)升、閉口梯度泰勒毛細(xì)升理論計算模型；同時，基于生物復(fù)制成形方法實現(xiàn)了逼真形貌的轉(zhuǎn)移制造，揭示了表面親水、疏水特性對單方向液膜搬運能力的影響規(guī)律，為仿生設(shè)計與生物制造打下了技術(shù)基礎(chǔ)。
“我們的研究，就是利用大自然的現(xiàn)象，在細(xì)微方寸中，得到啟示。這篇文章，是我國高校機械工程學(xué)科領(lǐng)域首篇在Nature在線發(fā)表的文章?！睆埥淌跓o不自豪地說道。
據(jù)悉，研究成果可直接用于各個領(lǐng)域，例如醫(yī)工結(jié)合方面，解決微創(chuàng)手術(shù)在高溫環(huán)境下粘刀問題，進(jìn)行無耗能‘水膜’補充，提高手術(shù)效率，也就是說，這項研究大大解決了手術(shù)過程中手術(shù)刀與人體軟組織的粘連問題；農(nóng)業(yè)方面，解決沙漠干旱植物滴灌供水，實現(xiàn)長距離搬運；工業(yè)方面，實現(xiàn)‘自潤滑’，降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度；甚至還可應(yīng)用于MEMS微流體芯片、無人機表面防冰等眾多領(lǐng)域。
崎嶇科學(xué)道路上的探問之道張德遠(yuǎn)教授、陳華偉教授及其團隊在研究仿生表面制造方面不懈探索20余年，單就對豬籠草口緣區(qū)的研究也已持續(xù)2年多。“一路走來有過挫折和失敗，也曾有過猶豫不決的時候，但是，我們從未想過放棄，我們的目標(biāo)，很明確?！标惾A偉教授篤定地說。
在研究過程中，很多結(jié)果僅僅依靠實驗室現(xiàn)有的設(shè)備是無法驗證的。面對這種情況，張德遠(yuǎn)教授自籌經(jīng)費，拿出近二十萬元為實驗室購買新設(shè)備。
然而，具備實驗條件卻并不一定能得到好的實驗結(jié)果，還需要團隊所有人員的不懈探索與努力。
團隊的精誠合作是打開科學(xué)大門的鑰匙。在采訪中，四位主要作者一致表示，成功離不開每一個人的付出。在前前后后2年多的研究探尋中，正是因為有張德遠(yuǎn)教授的高瞻遠(yuǎn)矚、陳華偉教授的悉心指導(dǎo)、博士生張鵬飛的嚴(yán)謹(jǐn)與創(chuàng)新、以及博士生張力文的大量實驗配合，還有40余名團隊成員的“心往一處想、智往一處謀、勁往一處使”，才有了今天的科研碩果。
兩位教授認(rèn)為，要想在科學(xué)崎嶇的山路上看到無限風(fēng)景，除了應(yīng)具備愚公移山式的奮斗精神外，在當(dāng)今社會，利用好學(xué)科交叉融合非常必要。團隊在得到了對于豬籠草研究的總體結(jié)果之后，陳華偉教授帶著研究結(jié)果與我?；瘜W(xué)與環(huán)境學(xué)院江雷院士進(jìn)行了深入交流與溝通。通過與江雷院士近半年的不斷思維交叉碰撞、深入討論之后，研究成果才得以漸漸顯現(xiàn)。
“正是機械工程學(xué)科不斷與化學(xué)、生物制造等領(lǐng)域的交叉融合，才讓思維的火花不斷迸發(fā)。大家齊心協(xié)力，共同通過自然現(xiàn)象揭示本質(zhì)，才使研究獲得最后成功”，張德遠(yuǎn)教授一再強調(diào)。
在大家的執(zhí)著努力下，“生物制造”這一前沿交叉方向得到了各方的認(rèn)可和支持。在研究過程中，國家基金委機械學(xué)科的王國彪主任、賴一楠主任對研究方向進(jìn)行了悉心指導(dǎo)，學(xué)校和學(xué)院在已經(jīng)很緊張的辦學(xué)條件下，擠出獨立的實驗空間為這個實驗室創(chuàng)造條件，并在人才引進(jìn)、生源配比等方面傾斜支持，同時研究生院的交叉學(xué)科獎勵博士生計劃、博士生創(chuàng)新基金計劃也對該研究方向十分青睞。張教授表示，這一成果是在各方支持下大家共同努力取得的。
師徒合力為夢想執(zhí)著奮斗張鵬飛，一名土生土長純“校產(chǎn)”的北航本碩連讀的直博生，是該項研究的共同第一作者（學(xué)生第一作者），也是我校第一個在Nature上發(fā)表論文的在讀博士生。
張力文，一名同樣優(yōu)秀的直博生。在校期間，以學(xué)生第一作者身份在ACSAppliedMaterials&Interfaces發(fā)表論文一篇，于2014年提前攻讀博士學(xué)位。
兩位優(yōu)秀的博士生，共同師從張德遠(yuǎn)教授和陳華偉教授，在北航這片時刻注重人才培養(yǎng)的“沃土”上，在兩位導(dǎo)師的悉心培養(yǎng)和指導(dǎo)下，張鵬飛和張力文迅速成長，在科研的道路上不斷攀登高峰。
“從面試第一眼，我就知道張鵬飛是一個搞科研的好材料”，張德遠(yuǎn)教授欣慰地說，“他認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)，完全具備搞科研的必備素質(zhì)，他的創(chuàng)新性與細(xì)微性，讓我放心把國家自然基金重大項目這個重任交付給他?！?br> 上天總是把機會留給有準(zhǔn)備的人。在近一年半的撰稿過程中，張鵬飛在實驗室的燈光下，不知奮斗了多少個日日夜夜。研究過程中，團隊所在實驗室要進(jìn)行整體改造，張鵬飛只能在旁邊稍微簡陋的一個小屋子里做實驗，為了細(xì)致分析實驗現(xiàn)象，他常常一個人工作到深夜。冬天的深夜，實驗室又冷又靜，張鵬飛獨坐其中，常常自我鼓勵：在博士研究生的求學(xué)道路上，能夠留下些有意義的東西，就值得為此堅持下去。
“為了投稿中的一張高質(zhì)量照片，我們常常需要拍攝幾十甚至上百次樣張，而這上百張中也許也只有一張可以達(dá)到要求。為了拍攝一組完美的視頻，更是常常需要連續(xù)幾天的拍攝。我們在撰稿中的每一步，都近乎達(dá)到完美的程度。”
這一句輕描淡寫的“完美”，卻始終像一個標(biāo)桿，貫穿著他們一直以來的研究。
相逢之處皆師友。兩位博士生對導(dǎo)師們同樣充滿著感激之情，張鵬飛表示，如果不是兩位導(dǎo)師的豐富科研經(jīng)驗和正確研判，能夠及時抓住這極為特殊的豬籠草實驗現(xiàn)象，他很有可能將這一實驗結(jié)果丟棄，與成功失之交臂。
在修稿過程中，他們沒有周末，也沒有假日，整個團隊始終發(fā)揚老一輩北航人“腳踏實地、吃苦奉獻(xiàn)”的精神。不論春節(jié)、元宵節(jié)和中秋節(jié)，兩位導(dǎo)師和張鵬飛都是在一起，一遍又一遍地修改著內(nèi)容。
“就連大年三十的那天晚上，我們也是在一起吃的年夜飯，然后又在一起討論、修改論文中度過的”，陳華偉教授深有感觸地說。
寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。一路走來，道路或許并不一帆風(fēng)順，但高瞻遠(yuǎn)矚的導(dǎo)師隊伍、團結(jié)合作的學(xué)術(shù)氛圍、嚴(yán)謹(jǐn)扎實的科研風(fēng)尚、全身心投入研究的平和心態(tài)，卻使他們感受到了奮斗帶來的喜悅和人人傾情的生命真諦。
這是張德遠(yuǎn)教授團隊共同努力的“基石”，也是所有北航人身影的濃縮。
實驗室中，師徒們依舊為自己鐘愛的事業(yè)，為人類更加美好的未來，研究著、探尋著……
(記者王晴)
