国家自然科学奖二等奖——

    基于固液界面力电耦合的水伏效应

    科幻小说《流浪地球》向人们抛出了一个问题：面对不可改变的太阳运行规律和对地球的影响，人类如何持续发展？在纳尺度物理力学领域探索20余年，郭万林院士带领团队用一项又一项原创性、突破性的研究成果给出前瞻性答案——水伏学。

    南京航空航天大学航空学院郭万林院士团队完成的“基于固液界面力电耦合的水伏效应”此次荣获国家自然科学二等奖。“我们要站在世界科学前沿，做原创性、引领性的研究。”这是郭万林院士常说的一句话，“水伏学”的诞生正是团队践行这句话的真实写照。

    “找到一个‘撬起地球’的支点”

    郭万林院士说，从事科学研究近40年的时间，他带领团队主要做了两件事情，一是发展三维疲劳断裂理论，“让我们的飞行器发动机运行得更持久、更安全、更经济”，二是“在科学前沿探索中贡献自己的智慧”。

    科学前沿的探索往往是“孤勇者”的“战斗”，但决定带领团队锚定一个方向，并“一条道走到底”的时候，需要的不只是“勇气”，更是在长期的探索积累和思考洞察中，找到“像‘撬起地球’一样的一个支点”。

    早在20世纪末，郭万林即敏锐地察觉到科学研究前沿即将迈入纳米科技时代。于是，他毅然带领团队从疲劳断裂力学研究深入到基于量子力学理论的纳米科学研究，牵头在南京航空航天大学（以下简称为“南航”）成立了纳米科学研究所，成为国际上率先专注纳米科学研究的科研机构之一。

    2003年，郭万林指导博士生郭宇锋连续在《物理评论快报》发表两篇关于能量耗散和力电耦合的文章，为南航在纳米科学领域开始建立国际影响力。从此，团队不断开拓进取，从最初的低维功能材料的“力电耦合”到“力电磁耦合”再到“力电磁光热耦合”，建立起低维纳米体系多场耦合的物理力学理论体系，部分成果获得2012年国家自然科学奖二等奖。

    随着理论研究的深入和实验条件的改善，团队在实验研究中也相继取得重要突破。“水伏效应的发现源自一次偶然的实验现象，郭老师带着我们在实验中敏锐地关注到了石墨烯薄膜进出水溶液时其两端意外产生的电压信号。”当时的团队在读博士研究生殷俊回忆道。

    经过三年多由微入著的深入研究，2014年，针对这一现象的相关成果发表在《自然—纳米技术》上，是南航作为第一完成单位的第一篇《自然》大子刊文章。获得国际同行“拓展了动电效应两百年的经典理论”“先驱性的结果”等评价。

    2018年，团队以“水伏技术的曙光”（Emerging hydrovoltaic technology）为题在《自然·纳米技术》上发表相关成果，首次提出水伏效应（hydrovoltaic effect），这一新概念，被配以“编辑按”展开专题评论，给予高度认可，并在期刊封面推荐：编辑在团队提出的水伏（hydrovoltaic）一词后面加了“s”，“水伏学hydrovoltaics：从水获电的新途径”从此诞生。

    在郭万林看来，水伏就是他们寻找的人类可持续发展新能力的“支点”，这个“支点”将翘起人类应对全球气候变暖、利用太阳光热的能力。水伏效应为提升人类消纳利用太阳光热提供了新的科学途径。发电方式从“拖曳势”的滴水发电再到“波动势”的波浪发电再到水自然蒸发发电的“蒸发势”，发电材料从石墨烯到其他更为广泛的材料，“从水中甚至空中取电”已不再是“异想天开”，一个“从0到1”的生动阐释。

    可以畅想一下，在70％表面被海水包裹的地球上，当雨滴、波浪、水蒸发都可以发电，对人类发展来说，将意味着什么？

    翻过一座座“难以企及”的山峰

    实验突破是激动人心的，但如何让实验室的成果飞入“寻常百姓家”，无疑是更具挑战性的。

    把一个基础的科学现象发展成为一项新的技术的难度往往是难以估量的。最初发现的水伏效应电信号极其微弱，必须用高灵敏的电表才能测出毫伏级的发电量。经过几年的发展，在2019年团队获批国家重点研发计划变革性技术项目资助的时候，他们已经实现了1伏、微安量级的发电量。

    在该项目任务书中，他们提出五年内力争达到“10V＠10mA”（电压达10伏、电流达10毫安）的目标。当时在团队成员看来，这个目标“即使不是珠穆朗玛峰，也是像青藏高原一样”难以企及的一个高度。

    从那个时候开始，团队就一直把这个目标挂在了实验室最显著的位置，这一挂就是四年。在这四年时间中，团队在理论计算和实验研究中交叉迭代，不停地尝试新的方案，设计新的实验器件，探索新的发电方式，最终在2023年提前实现了这一看似不可企及的目标。

    而在这一过程中，他们已经不记得在实验室度过了多少个日日夜夜。回首这段历程，团队成员张助华说：“这种体验就是痛并快乐着，科学家比普通人更能体会什么叫‘寂寞’，什么叫‘柳暗花明又一村’，因为我们要在没有路的地方找到一条路。”

    团队正朝着实现持续稳定发电的目标继续探究，但他们明白这还有很长一段路要走，而且这路并不那么容易。“正是因为不容易才有意义，如果容易的话就不叫科学探索。如今，我们之前项目目标完成了，我们要重新确定一个新的目标挂在实验室。”郭万林说。

    “跳出舒适圈，去探索无人区”

    在国际科学界热议“水伏学”的时候，团队的成员们却保持高度理性。“水伏学还有大量的基础和技术问题没有解决，我们要持续攻坚克难，引领水伏学的发展。”郭万林院士这样对记者说。

    水伏学涉及力学、物理、化学、材料、信息、生物等交叉学科问题，对团队成员的知识架构提出了严苛要求。团队成员仇虎教授介绍，20多年来，每周的组会，郭万林都要求学生汇报科学前沿的最新进展，包括物理、化学、生物等多个学科门类，并提出自己的理解和观点。郭万林院士一直坚持阅读最新文献，看到有启发之处就分享给团队教师和学生。正是对前沿进展的敏锐和点滴积累培养了团队成员高水平的研究能力。

    2023年7月19日，国际著名学术期刊《自然》发表了水伏科学与技术创新团队殷俊教授作为共同一作和共同通讯作者的合作研究论文＂Mixing of moiré－surface and bulk states in graphite＂。这篇文章的发表也是学校在基础研究领域探索的一项突破性成果。

    “郭老师始终对未知保持强烈好奇心和敏锐判断力，这一点一直驱动着团队不断往前探索和尝试。”张助华说。

    如今，水伏能源技术被越来越多的人跟进研究，已发展成为国际学术研究的新兴领域，郭万林却要带领团队“跳出舒适圈，去探索无人区”。我们的大脑、大脑里的每个神经元都含有70％以上的水，没有晶体管、没有导线，它们是怎么工作的、产生智慧的？“我们要去试着解决人类的难题：从水伏能源、到水伏生态、水伏智能。”这是他们继续前行的愿景。

    郭万林说，20多年前他就培育一小支队伍，从膜蛋白水通道和离子通道的结构－功能关联入手，开始研究人类大脑的工作机制。“脑电如何产生、大脑如何工作，在微观层面上都有类似水伏效应的基本问题。”随着水伏科学基本问题研究的深入和不断突破，他们开始了“水伏能源、水伏生态、水伏智能”背后共同的基本科学问题的研究。

    “为天地立心，为生民立命，为往圣继绝学，为万世开太平”为北宋大儒张载的名言，被冯友兰概括为“横渠四句”，出生于与横渠镇同县的首善镇的郭万林，从小受这句话的浸润。如今，他带领团队，带着对未知领域的好奇心、对前沿探索的求知欲以及沉下心钻研的持久劲，朝着新的目标，继续“撬起”未来科学的发展：“解国家急需，谋持续发展”。

    新华日报·交汇点记者 杨频萍

    通讯员 王伟