6月24日，北京市發(fā)布了今年首個高溫黃色預(yù)警。
這一天，高溫炙烤著北京城。為了消暑，人們在陰涼處喝著冷飲，孩子們在噴泉邊嬉戲打鬧，泳池中擠滿了男女老少……在陽光照射下，大量水氣帶著熱量消散在空中，給人們帶來些許涼意。
也在這一天，在人民大會堂舉行的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，中國科學(xué)院院士、南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院教授郭萬林榮獲2023年度國家自然科學(xué)獎二等獎。
這兩個場景看似毫不相關(guān)，但在郭萬林眼中，那些或消散在空中、或流淌于地面的水中，蘊(yùn)藏著無處無時不在的能量，而他的目標(biāo)便是將這些能量變成可用的電能。此次他獲得的這一榮譽(yù)，得益于多年來他在相關(guān)領(lǐng)域的工作和成績；而他未來的目標(biāo)，便是將這個“能裝下一個時代”的新領(lǐng)域逐步擴(kuò)展，為人類可持續(xù)發(fā)展開辟新途徑。
從水獲電這個領(lǐng)域，在郭萬林推動下已成為一門新學(xué)科——水伏學(xué)。
? ?一次“失敗”的實(shí)驗(yàn)
什么是水伏學(xué)？問題的答案要從十多年前，一次“失敗”的實(shí)驗(yàn)說起。
2010年，博士生殷俊在導(dǎo)師郭萬林的指導(dǎo)下嘗試驗(yàn)證石墨烯在一定流速和離子濃度的水溶液中生電的實(shí)驗(yàn)。然而，他嘗試不同流速和濃度組合后，儀器上記錄電壓的那條線依然沒有任何起伏。
很明顯，沉浸于水中的石墨烯不能生電，初步實(shí)驗(yàn)失敗了。
但當(dāng)殷俊將實(shí)驗(yàn)紀(jì)錄回放給導(dǎo)師時，郭萬林卻注意到測量曲線尾部的一個劇烈波動信號。
“這里為什么有這么大的信號？”他問。
“那是我將石墨烯從水中拿出時，沒有關(guān)測量儀器而產(chǎn)生的?！?/span>
“既然將石墨烯從水中拿出時會產(chǎn)生這樣顯著的電壓，如果反復(fù)把它放入水中再拿出來，不就能反復(fù)生電？那如果水面沿石墨烯上下波動呢？”郭萬林讓學(xué)生進(jìn)行波動實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只要?dú)庖航缑嫜厥┻\(yùn)動，電壓就會產(chǎn)生。
這是為什么？郭萬林帶領(lǐng)團(tuán)隊開啟了長達(dá)三年多的系統(tǒng)深入的研究。
2014年，該團(tuán)隊的關(guān)于水滴生電和波動生電的研究成果接連發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》和《自然—通訊》上，給出雙電層邊界運(yùn)動生電的拖曳勢和波動勢的理論，被國際同行評價為“拓展了動電效應(yīng)兩百年的經(jīng)典理論”“先驅(qū)性的結(jié)果”……
4年后的2018年，郭萬林在中國科學(xué)院技術(shù)學(xué)部做了《水伏科學(xué)技術(shù)的曙光》的報告并與團(tuán)隊成員一起整理成論文在《自然—納米技術(shù)》上發(fā)表，首次提出“水伏效應(yīng)”這一新概念?？l(fā)時，編輯在封面以“水伏學(xué)——從水獲電的新途徑”進(jìn)行推介，一門新學(xué)科由此誕生。
“所謂水伏學(xué)，簡單的說，就是研究水與材料物質(zhì)相互作用，將水中的能量和熱量轉(zhuǎn)化為電能的途徑?！惫f林告訴《中國科學(xué)報》，這種途徑是多樣的。比如，水滴在石墨烯表面滾動就能產(chǎn)生電，而且水滴運(yùn)動越快，所產(chǎn)生的電量就越大。水的自然蒸發(fā)也能發(fā)電，只要蒸發(fā)不停止，就能持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電。
現(xiàn)在，把多個厘米級的蒸發(fā)發(fā)電裝置集成起來，就可以持續(xù)驅(qū)動多種商用電子和電氣器件。而且可以從大氣中的水氣凝結(jié)－再蒸發(fā)中，源源不斷地把大氣中的熱能變?yōu)殡娔堋?/span>
換句話說，在水伏學(xué)的研究范疇內(nèi)，“水中取電”“空中取電”都不再是一個幻想。
? ?尋找登山的“臺階”
“取電”是一回事，取到足夠多的電卻是另一回事。
在郭萬林的課題組，一個標(biāo)有“10V＠10mA”字樣的牌子一直被掛在實(shí)驗(yàn)室最顯著的位置，上面數(shù)字的意思是“水伏生電的電壓達(dá)10伏、電流達(dá)10毫安”。
“這是當(dāng)時我們給自己立的一個五年目標(biāo)。”如今已經(jīng)是郭萬林團(tuán)隊成員的殷俊解釋說。
2019年，在英國完成博士后研究的殷俊回國，加盟了自己導(dǎo)師的團(tuán)隊，這個牌子也是那一年掛起來的。
原來，水伏效應(yīng)最初被發(fā)現(xiàn)時，其發(fā)出的電信號極其微弱，必須用高靈敏的電表才能測出毫伏、百納安級的發(fā)電量。經(jīng)過多年努力后，課題組在2019年實(shí)現(xiàn)了1伏、微安量級的發(fā)電量。
然而，這樣的發(fā)電量仍然太少。
“作為能源，哪怕只是解決一臺筆記本電腦的用電，也要達(dá)到10伏、10毫安的程度。否則，其發(fā)出的能量實(shí)用意義十分有限。”郭萬林說。
于是，課題組在實(shí)現(xiàn)從“毫伏”到“伏”、從“亞微安”到“微安”的跨越后，將此后5年的奮斗目標(biāo)寫在了那塊牌子上。
這塊牌子一掛便是4年。其間，團(tuán)隊在理論計算、材料研究和器件研發(fā)中交叉迭代。在這一過程中，他們已經(jīng)不記得在實(shí)驗(yàn)室度過了多少個日日夜夜。
“這就像大家一起在爬山，所有人都在尋找登頂?shù)呐_階，沒有一個人知道臺階的具體位置。但是，總會有人在不經(jīng)意間找到一節(jié)臺階?！惫f林如此形容那段經(jīng)歷。
團(tuán)隊成員、南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院教授張助華則將那段體驗(yàn)形容為“痛并快樂著”?！翱茖W(xué)家比普通人更能體會什么叫‘寂寞’，什么叫‘柳暗花明又一村’，因?yàn)槲覀円跊]有路的地方找到一條路?！彼f。
雖然開辟一條全新的路極其困難，但自從發(fā)現(xiàn)水伏現(xiàn)象后，郭萬林便從未動搖過要開出這條路的決心。因?yàn)樗宄匾庾R到，這條路將通往一片怎樣開闊的天地。
“你有沒有考慮過，目前全球氣候變暖的本質(zhì)是地球吸收的太陽光熱過多，既然這樣，我們的能源利用就應(yīng)該沒問題，但事實(shí)為何不是如此？”交談中，郭萬林說，其原因就是目前包括風(fēng)能、太陽能等在內(nèi)的新能源利用方式均存在不穩(wěn)定和間歇性問題，不能從無處無時不在的水循環(huán)中把太陽的光熱轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定可用的電能。
水伏現(xiàn)象卻不存在這個問題。
“比如，蒸發(fā)現(xiàn)象無時無刻都在發(fā)生，即便在夜晚或室內(nèi)，水分依然在蒸發(fā)，這其中蘊(yùn)含著大量能量?！惫f林告訴《中國科學(xué)報》一組數(shù)字：目前太陽光熱達(dá)到地球表面的能量70％被水吸收，有90％都存儲在了水和水汽中。太陽到達(dá)地表的能量超過3.8萬千瓦時，而被人類所利用的能量只有30千瓦時左右。
在他看來，如果水伏學(xué)能夠真正應(yīng)用于實(shí)際，能源問題將得到極大緩解，隨之得到解決的還有全球變暖的問題、生態(tài)問題。事實(shí)上，人類的健康領(lǐng)域以及人工智能領(lǐng)域也能依托水伏學(xué)得到極大發(fā)展——通常情況下，人體大腦的含水量約為70－80％，可以說人腦是在水中工作的，而腦電波的產(chǎn)生也很有可能與水伏效應(yīng)有關(guān)。
“從某種角度說，水伏學(xué)‘足以裝下一個時代’。”郭萬林說。
? ?大學(xué)教師不能“做冰箱”
很多人不會想到，如今對一門心思研究“水”的郭萬林，其學(xué)術(shù)生涯卻起始于硬邦邦的“金屬”。
1981年，郭萬林進(jìn)入西北工業(yè)大學(xué)學(xué)習(xí)。同年，他日后的研究生導(dǎo)師、我國航空事業(yè)奠基人之一黃玉珊教授在西工大創(chuàng)建了飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究所。
此后的20年，郭萬林一直躬耕于疲勞斷裂力學(xué)研究，并在飛機(jī)金屬材料的疲勞斷裂研究中取得一系列重要成果。然而，隨著研究的推進(jìn)，郭萬林愈發(fā)覺得，要想進(jìn)行更深入的研究，必須要在原子甚至量子的尺度有深入認(rèn)識。
此時已是上世紀(jì)末，世界科學(xué)研究正在邁入納米科技時代。察覺到這一趨勢后，做慣了傳統(tǒng)力學(xué)研究的郭萬林牽頭在南航成立納米科學(xué)研究所，成為國際上率先專注納米科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)之一。
在此期間，郭萬林還將研究的觸角伸向腦科學(xué)，希望基于對離子、分子間相互作用機(jī)制的研究，探索大腦思維的奧秘。而當(dāng)他發(fā)現(xiàn)水伏效應(yīng)后，更是將兩者進(jìn)行了結(jié)合……
在殷俊眼中，自己的導(dǎo)師在科研領(lǐng)域是一個“很不安分”的人——對科學(xué)研究永遠(yuǎn)保持十足的熱情，喜歡探索科學(xué)前沿問題。
“更重要的是，他總是鼓勵自己的學(xué)生這樣思考、這樣做。用他的話說，反正你們‘啥都不懂’，還不如琢磨點(diǎn)兒新東西?！币罂⌒χf。
在郭萬林看來，這就是作為一名老師的“本份”。
“大學(xué)教師要面對一個基本事實(shí)——你所教的學(xué)生需要應(yīng)對的是二三十年后的世界，而這個世界與你現(xiàn)在熟悉的世界完全不同。”郭萬林說，這就要求大學(xué)教師一定要不斷洞悉科學(xué)發(fā)展的前沿，要引領(lǐng)一個潮流，至少要跟得上潮流，而非在熟悉的領(lǐng)域做一輩子。
“一個企業(yè)可以專注做冰箱做幾十年，但老師是不能永遠(yuǎn)做‘冰箱’的。否則，當(dāng)冰箱被時代淘汰了，你能做什么？”郭萬林問。
這樣的理念也被郭萬林應(yīng)用到了對水伏學(xué)的研究中——在他的預(yù)測中，水伏學(xué)將發(fā)展為三個層次：水伏能源、水伏生態(tài)和水伏智能。而他也已將自己的研究團(tuán)隊按這三個方向進(jìn)行劃分。
美國人埃隆·馬斯克研發(fā)的新能源汽車，名字取自歷史上的大發(fā)明家特斯拉。特斯拉有一句名言：能量其實(shí)到處都存在，只是我們怎樣把他們從所有地方都轉(zhuǎn)化成有用的能源？“而我們現(xiàn)在正在做這件事。”郭萬林最后說。
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