熱消息：在微觀(guān)世界里建造“液體之門(mén)”

廈門(mén)大學(xué)教授侯旭長(cháng)期致力于液基材料系統的研究。他聚焦多學(xué)科交叉前沿，在微觀(guān)世界打造一個(gè)“液體之門(mén)”。從組建課題組團隊到搭建實(shí)驗室、自主開(kāi)發(fā)科研儀器，侯旭帶領(lǐng)團隊潛心研究“液體門(mén)控”的新機制與技術(shù)應用，踏上“從0到1”的科研路。

在微觀(guān)世界打造了一個(gè)“液體之門(mén)”，實(shí)現物質(zhì)的高效可控運輸與分離——這是廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院雙聘教授侯旭的研究。

(相關(guān)資料圖)

聚焦多學(xué)科交叉前沿，今年40歲的侯旭長(cháng)期致力于液基材料系統的科研，用以提升膜材料的功能與穩定性。他首創(chuàng )和引領(lǐng)的液體門(mén)控技術(shù)位列世界權威化學(xué)組織——國際純粹與應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )發(fā)布的2020年化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)。在侯旭團隊的努力下，“液體門(mén)控”在化學(xué)化工、材料科學(xué)、生物醫學(xué)、能源環(huán)境、航空航天等領(lǐng)域不斷開(kāi)花結果。

剎那靈感，勇闖“無(wú)人區”

侯旭的辦公室里有一張小型棕色雙人沙發(fā)。沙發(fā)上坐過(guò)化學(xué)化工領(lǐng)域的專(zhuān)家、研究材料科學(xué)的學(xué)者，也有生物醫藥專(zhuān)業(yè)的學(xué)生、人工智能工程師……作為在多學(xué)科交叉前沿開(kāi)展研究的青年科學(xué)家，侯旭的朋友圈覆蓋物理、化學(xué)、生物、醫學(xué)、工程、信息等多個(gè)領(lǐng)域。

2006年，侯旭從四川大學(xué)生物醫學(xué)工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，被保送至國家納米科學(xué)中心攻讀物理化學(xué)博士學(xué)位，2012年又前往國外進(jìn)行膜科學(xué)相關(guān)的仿生材料應用科學(xué)的博士后研究。從生物醫學(xué)到物理化學(xué)，再到仿生材料科學(xué)，對侯旭而言，這段跨多學(xué)科的求學(xué)經(jīng)歷是寶貴的財富。“不同學(xué)科知識的碰撞，讓我接觸了更加多元的科研思維方式，支撐我嘗試交叉學(xué)科研究。”侯旭說(shuō)。

博士后研究期間，侯旭在一次分離實(shí)驗中發(fā)現，通過(guò)簡(jiǎn)單的壓力變化，就可以利用液體開(kāi)啟關(guān)閉氣體與液體的輸運。液體是否也可以成為“門(mén)”？

侯旭介紹，在微觀(guān)世界，大面積的固體膜材料表面具有難以避免的缺陷。固體膜無(wú)法完全阻隔微小物質(zhì)的傳輸，也會(huì )造成途經(jīng)物質(zhì)的殘留，時(shí)間一長(cháng)，膜材料就會(huì )被污染甚至堵塞，這正是污水處理、空氣凈化、海水淡化等場(chǎng)景中的痛點(diǎn)。

但液面沒(méi)有這種缺陷。“液體的流動(dòng)性能使材料表面達到分子級的平整。若將液體穩定在固體多孔膜中，讓多孔膜作為‘門(mén)框’，液體作為‘門(mén)’，在壓強作用下，‘液門(mén)’關(guān)閉時(shí)，即使是氣體分子也無(wú)法通過(guò)，而‘液門(mén)’打開(kāi)時(shí)，就可以實(shí)現物質(zhì)的快速運輸與分離。”侯旭打了個(gè)比方，“就像給微觀(guān)世界的‘水簾洞’安上智能開(kāi)關(guān)。”

從剎那的靈感出發(fā)，侯旭等人于2015年首次提出“液體門(mén)控機制”的概念，踏進(jìn)未知的“無(wú)人區”。2016年，侯旭入職廈門(mén)大學(xué)，成為雙聘教授，組建課題組團隊、搭建實(shí)驗室，潛心研究“液體門(mén)控”的新機制與技術(shù)應用。

腳踏實(shí)地，從奇思到現實(shí)

踏上一條“從0到1”的科研之路，沒(méi)有前人研究可供參考，更缺乏“稱(chēng)手”的研究工具。

研究初期，為連續觀(guān)察和測量微觀(guān)尺度的壓強，侯旭購置了傳感器、電源和顯示器等配件，簡(jiǎn)單拼裝了一個(gè)測壓設備，“數據全靠手抄，一秒就要抄一個(gè)數據，抄完后再把數據錄入電腦換算，并進(jìn)行分析，一天只能做兩三組實(shí)驗。”侯旭說(shuō)。

為更高效地開(kāi)展實(shí)驗，侯旭團隊自主開(kāi)發(fā)了先進(jìn)的測試儀器和裝置系統。液門(mén)流體跨膜壓強測試儀就是其中之一，這是一臺平板電腦大小的銀色方盒，可以實(shí)時(shí)監測流體跨膜過(guò)程中的壓強變化并開(kāi)展性能分析，同時(shí)實(shí)現觸屏操作、遠程監控、云端輸出與分析等功能，能明顯提高實(shí)驗效率。

挑戰不止于此。“交叉學(xué)科研究帶來(lái)了最大的驚喜，也帶來(lái)了最大的難題。”侯旭介紹，一開(kāi)始，也有一些人覺(jué)得他的想法不切實(shí)際，甚至無(wú)法實(shí)現，意義不大，“我的研究和不少學(xué)科領(lǐng)域都存在交叉，但在這些現有領(lǐng)域中又很難找到歸屬。”

經(jīng)歷短暫的迷茫后，侯旭調整好心態(tài)，決定讓事實(shí)和時(shí)間說(shuō)話(huà)。“跟著(zhù)別人的腳步走，不如自己引領(lǐng)一條新路。做科研要學(xué)會(huì )坐冷板凳，只要是自己熱愛(ài)并認為正確的事，那就堅持走下去。”

幾年過(guò)去，侯旭的團隊發(fā)展到30多人，“液體門(mén)控”也逐漸發(fā)展成形，奇思妙想成為現實(shí)。

2018年，侯旭作為項目負責人主持和開(kāi)展了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“納米科技”重點(diǎn)專(zhuān)項孔道膜材料的相關(guān)項目，推動(dòng)海水淡化技術(shù)取得新進(jìn)展；2019年，侯旭團隊開(kāi)發(fā)了曲率可動(dòng)態(tài)調控的碳納米管陣列膜系統，并搭建了海水淡化原型器件；2022年9月，侯旭帶領(lǐng)的團隊在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表最新研究成果，首次運用液體門(mén)控技術(shù)，提出不同微尺度的顆粒物在水界面上的高效過(guò)濾與吸收機制，攻克了現有空氣凈化中從過(guò)濾吸收、防污防腐、抗菌除臭到長(cháng)期運行的技術(shù)難關(guān)。

目前，侯旭團隊已發(fā)展了多種響應性液體門(mén)控系統，并推動(dòng)液體門(mén)控技術(shù)中新概念膜材料在環(huán)境工程、化工多相分離、物質(zhì)檢測、智慧農業(yè)、生物醫學(xué)工程等方面的應用。

服務(wù)社會(huì )，做有價(jià)值的科研

科研之路沒(méi)有終點(diǎn)。侯旭的課題組吸納了來(lái)自生物、醫學(xué)、物理、機械、儀器、化學(xué)化工、人工智能等多專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，團隊在交流與合作中不斷接觸和學(xué)習新知識。

如何設計和制備“液體門(mén)控”體系中更可控、更穩定、響應性更強的液基材料？如何突破液基材料體系的制備理論和技術(shù)？“還有很多問(wèn)題需要繼續努力探索。”侯旭說(shuō)。

“我們對這項研究的發(fā)展非常有信心。”提及液體門(mén)控技術(shù)未來(lái)的應用前景，侯旭打開(kāi)了話(huà)匣，“液體門(mén)控技術(shù)不僅能在污水處理、空氣凈化等大規模過(guò)濾和分離過(guò)程中發(fā)揮重要作用，還將在能量轉換與存儲、物質(zhì)檢測、界面傳輸、便攜式可穿戴設備等前沿應用領(lǐng)域帶來(lái)驚喜。”這段時(shí)間，侯旭在探索新技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研合作，“希望能加速實(shí)現前沿科學(xué)技術(shù)的成果落地，盡快服務(wù)社會(huì )。”

從事科研工作以來(lái)，侯旭已在國內外高水平學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文100余篇，并獲評第二屆全國創(chuàng )新?tīng)幭泉?、科學(xué)探索獎、中國化學(xué)會(huì )青年化學(xué)獎、國際仿生工程學(xué)會(huì )杰出青年獎等榮譽(yù)。

在科研攻關(guān)之余，侯旭還熱衷于從事科普工作。在鄉村學(xué)校，他把艱深的前沿技術(shù)講成生動(dòng)的故事；在實(shí)驗室里，他指導高中生學(xué)員實(shí)踐科研探索項目；在電視屏幕前，他同年輕觀(guān)眾開(kāi)展科普對話(huà)……“我們這一代科研工作者非常幸運，國家的發(fā)展給我們帶來(lái)了更強的科研自信，我希望把這樣一份力量傳遞給我們的下一代。”侯旭說(shuō)。

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