在微观世界里建造“液体之门”

在微观世界里建造“液体之门” 2
  在实验室里工作的侯旭。
受访者供图

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厦门大学教授侯旭长期致力于液基材料系统的研究。他聚焦多学科交叉前沿,在微观世界打造一个“液体之门”。从组建课题组团队到搭建实验室、自主开发科研仪器,侯旭带领团队潜心研究“液体门控”的新机制与技术应用,踏上“从0到1”的科研路。

 

在微观世界打造了一个“液体之门”,实现物质的高效可控运输与分离——这是厦门大学化学化工学院、物理科学与技术学院双聘教授侯旭的研究。

聚焦多学科交叉前沿,今年40岁的侯旭长期致力于液基材料系统的科研,用以提升膜材料的功能与稳定性。他首创和引领的液体门控技术位列世界权威化学组织——国际纯粹与应用化学联合会发布的2020年化学领域十大新兴技术。在侯旭团队的努力下,“液体门控”在化学化工、材料科学、生物医学、能源环境、航空航天等领域不断开花结果。

刹那灵感,勇闯“无人区”

侯旭的办公室里有一张小型棕色双人沙发。沙发上坐过化学化工领域的专家、研究材料科学的学者,也有生物医药专业的学生、人工智能工程师……作为在多学科交叉前沿开展研究的青年科学家,侯旭的朋友圈覆盖物理、化学、生物、医学、工程、信息等多个领域。

2006年,侯旭从四川大学生物医学工程专业毕业,被保送至国家纳米科学中心攻读物理化学博士学位,2012年又前往国外进行膜科学相关的仿生材料应用科学的博士后研究。从生物医学到物理化学,再到仿生材料科学,对侯旭而言,这段跨多学科的求学经历是宝贵的财富。“不同学科知识的碰撞,让我接触了更加多元的科研思维方式,支撑我尝试交叉学科研究。”侯旭说。

博士后研究期间,侯旭在一次分离实验中发现,通过简单的压力变化,就可以利用液体开启关闭气体与液体的输运。液体是否也可以成为“门”?

侯旭介绍,在微观世界,大面积的固体膜材料表面具有难以避免的缺陷。固体膜无法完全阻隔微小物质的传输,也会造成途经物质的残留,时间一长,膜材料就会被污染甚至堵塞,这正是污水处理、空气净化、海水淡化等场景中的痛点。

但液面没有这种缺陷。“液体的流动性能使材料表面达到分子级的平整。若将液体稳定在固体多孔膜中,让多孔膜作为‘门框’,液体作为‘门’,在压强作用下,‘液门’关闭时,即使是气体分子也无法通过,而‘液门’打开时,就可以实现物质的快速运输与分离。”侯旭打了个比方,“就像给微观世界的‘水帘洞’安上智能开关。”

从刹那的灵感出发,侯旭等人于2015年首次提出“液体门控机制”的概念,踏进未知的“无人区”。2016年,侯旭入职厦门大学,成为双聘教授,组建课题组团队、搭建实验室,潜心研究“液体门控”的新机制与技术应用。

脚踏实地,从奇思到现实

踏上一条“从0到1”的科研之路,没有前人研究可供参考,更缺乏“称手”的研究工具。

研究初期,为连续观察和测量微观尺度的压强,侯旭购置了传感器、电源和显示器等配件,简单拼装了一个测压设备,“数据全靠手抄,一秒就要抄一个数据,抄完后再把数据录入电脑换算,并进行分析,一天只能做两三组实验。”侯旭说。

为更高效地开展实验,侯旭团队自主开发了先进的测试仪器和装置系统。液门流体跨膜压强测试仪就是其中之一,这是一台平板电脑大小的银色方盒,可以实时监测流体跨膜过程中的压强变化并开展性能分析,同时实现触屏操作、远程监控、云端输出与分析等功能,能明显提高实验效率。

挑战不止于此。“交叉学科研究带来了最大的惊喜,也带来了最大的难题。”侯旭介绍,一开始,也有一些人觉得他的想法不切实际,甚至无法实现,意义不大,“我的研究和不少学科领域都存在交叉,但在这些现有领域中又很难找到归属。”

经历短暂的迷茫后,侯旭调整好心态,决定让事实和时间说话。“跟着别人的脚步走,不如自己引领一条新路。做科研要学会坐冷板凳,只要是自己热爱并认为正确的事,那就坚持走下去。”

几年过去,侯旭的团队发展到30多人,“液体门控”也逐渐发展成形,奇思妙想成为现实。

2018年,侯旭作为项目负责人主持和开展了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项孔道膜材料的相关项目,推动海水淡化技术取得新进展;2019年,侯旭团队开发了曲率可动态调控的碳纳米管阵列膜系统,并搭建了海水淡化原型器件;2022年9月,侯旭带领的团队在国际学术期刊《自然》上发表最新研究成果,首次运用液体门控技术,提出不同微尺度的颗粒物在水界面上的高效过滤与吸收机制,攻克了现有空气净化中从过滤吸收、防污防腐、抗菌除臭到长期运行的技术难关。

目前,侯旭团队已发展了多种响应性液体门控系统,并推动液体门控技术中新概念膜材料在环境工程、化工多相分离、物质检测、智慧农业、生物医学工程等方面的应用。

服务社会,做有价值的科研

科研之路没有终点。侯旭的课题组吸纳了来自生物、医学、物理、机械、仪器、化学化工、人工智能等多专业的学生,团队在交流与合作中不断接触和学习新知识。

如何设计和制备“液体门控”体系中更可控、更稳定、响应性更强的液基材料?如何突破液基材料体系的制备理论和技术?“还有很多问题需要继续努力探索。”侯旭说。

“我们对这项研究的发展非常有信心。”提及液体门控技术未来的应用前景,侯旭打开了话匣,“液体门控技术不仅能在污水处理、空气净化等大规模过滤和分离过程中发挥重要作用,还将在能量转换与存储、物质检测、界面传输、便携式可穿戴设备等前沿应用领域带来惊喜。”这段时间,侯旭在探索新技术的产学研合作,“希望能加速实现前沿科学技术的成果落地,尽快服务社会。”

从事科研工作以来,侯旭已在国内外高水平学术期刊上发表论文100余篇,并获评第二届全国创新争先奖、科学探索奖、中国化学会青年化学奖、国际仿生工程学会杰出青年奖等荣誉。

在科研攻关之余,侯旭还热衷于从事科普工作。在乡村学校,他把艰深的前沿技术讲成生动的故事;在实验室里,他指导高中生学员实践科研探索项目;在电视屏幕前,他同年轻观众开展科普对话……“我们这一代科研工作者非常幸运,国家的发展给我们带来了更强的科研自信,我希望把这样一份力量传递给我们的下一代。”侯旭说。

  《 人民日报 》( 2023年04月19日 12 版)

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