文 ｜ 《中国科学报》 记者 陈彬

郭万林   南京航空航天大学供图

    炎炎夏日，水成了人们最愿意亲近的东西——大人在阴凉处喝着冷饮，孩子在喷泉边嬉戏打闹，泳池中挤满了男女老少……然而，在中国科学院院士、南京航空航天大学教授郭万林看来，那些或消散在空中，或流淌于地面的清水，为人们带来的远不止清凉，还蕴藏着无处、无时不在的能量。

    郭万林的目标，是将这些能量变成可用的电能。在他眼中，这个全新的研究领域甚至“能装下一个时代”。如今，在郭万林推动下，从水获电已成为一门新学科——水伏学。

    “水中取电”“空中取电”不再是幻想

    什么是水伏学？答案要从十多年前一次“失败”的实验说起。

    2010年，博士生殷俊在导师郭万林指导下尝试验证石墨烯在一定流速和离子浓度的水溶液中生电的实验。然而，在他尝试了不同流速和浓度的组合后，仪器上记录电压的那条线没有任何起伏。很明显，沉浸于水中的石墨烯不能生电，初步实验失败了。

    但当殷俊将实验记录回放给导师看时，郭万林注意到了测量曲线尾部的一个剧烈波动信号。殷俊说，那是将石墨烯从水中拿出时，没有关测量仪器而产生的。

    “既然如此，反复把它放入水中再拿出来，不就能反复生电？如果水面沿石墨烯上下波动呢？”郭万林让学生进行波动实验。结果发现，只要气液界面沿石墨烯运动，电压就会产生。

    为了弄清楚背后的原因，郭万林带领团队开启了3年多的深入研究。

    2014年，该团队关于水滴生电和波动生电的研究成果接连发表于《自然-纳米技术》和《自然-通讯》。2018年，郭万林作了题为《水伏科学技术的曙光》的报告，并与团队将其整理发表于《自然-纳米技术》，首次提出“水伏效应”这一新概念。论文刊发时，期刊编辑在封面以“水伏学——从水获电的新途径”进行推介，一门新学科由此诞生。

    “所谓水伏学，简单地说，就是研究水与材料物质相互作用，将水中的能量和热量转化为电能的途径。”郭万林告诉《中国科学报》，这种途径是多样的。比如，水滴在石墨烯表面滚动就能产生电，而且水滴运动越快，所产生的电量就越大。水的自然蒸发也能发电，只要蒸发不停止，就能持续稳定发电。

    他指出，该领域还可以利用大气的水汽凝结—再蒸发，源源不断地把大气中的热能变为电能。也就是说，在水伏学的研究范畴内，“水中取电”“空中取电”都不再是幻想。

    寻找登山的“台阶”

    “取电”是一回事，能取到足够多的电却是另一回事。水伏效应最初被发现时，其发出的电信号极其微弱，必须用高灵敏电表才能测出毫伏、百纳安级的发电量。

    一个标有“10V＠10mA”字样的牌子一直被挂在郭万林课题组实验室最显眼的位置，上面数字的意思是“水伏生电的电压达10伏、电流达10毫安”。这是课题组在实现水伏效应发电量从“毫伏”到“伏”、从“亚微安”到“微安”的跨越后，此后5年的奋斗目标。

    这块牌子一挂便是4年。其间，团队在理论计算、材料研究和器件研发中交叉迭代。“这就像大家一起爬山，所有人都在寻找不知道在哪儿的登顶的台阶，总会有人在不经意间找到。”郭万林如此形容那段经历。

    团队成员、南京航空航天大学教授张助华则将那段时间的体验形容为“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。”他说。

    虽然开辟一条全新的路极其困难，但自从发现水伏现象后，郭万林便从未动摇过开辟这条路的决心。因为他清楚地意识到，这条路将通往一片怎样广阔的天地。

    “目前全球气候变暖的本质是地球吸收的太阳光热过多，既然如此，我们的能源利用应该没问题，但事实为何并非如此。”郭万林说，其原因是目前的新能源利用方式均存在不稳定和间歇性问题。

    水伏现象却不存在这个问题。“比如，蒸发现象无时无刻不在发生，这其中蕴含着大量能量。”郭万林告诉《中国科学报》，目前太阳光热到达地球表面的能量有70%被水吸收，存储在了水和水汽中。如果水伏学能够实际应用，能源问题将得到极大缓解，随之得到解决的还有全球变暖问题和生态问题。事实上，人类的健康领域以及人工智能领域也能依托水伏学得到极大发展。通常情况下，人脑的含水量约为70%~80%，可以说人脑是在水中工作的，而脑电波的产生也很有可能与水伏效应有关。

    “从某种角度说，水伏学‘足以装下一个时代’。”郭万林说。

    大学教师不能“做冰箱”

    很多人可能想不到，如今一门心思研究“水”的郭万林，其学术生涯却始于硬邦邦的“金属”。

    1981年，郭万林进入西北工业大学学习。同年，他日后的研究生导师、我国航空事业奠基人之一的黄玉珊教授在西北工业大学创建了飞机结构强度研究所。此后的20年，郭万林一直躬耕于疲劳断裂力学研究。然而，随着研究推进，郭万林越发觉得，要想进行更深入的研究，就必须在原子甚至量子尺度有更深的认识。

    此时已是上世纪末，世界科学研究正迈入纳米科技时代。察觉到这一趋势后，做惯了传统力学研究的郭万林牵头在南京航空航天大学成立纳米科学研究所。其间，郭万林还将研究的触角伸向脑科学，希望基于对离子、分子间相互作用机制的研究，探索大脑思维的奥秘。而当他发现水伏效应后，更是将两者进行了结合……

    在如今已是郭万林团队一员的殷俊眼中，自己的导师对科学研究永远保持十足的热情，喜欢探索科学前沿问题。“更重要的是，他总是鼓励自己的学生这样思考、这样做。用他的话说，反正你们‘啥都不懂’，还不如琢磨点儿新东西。”

    在郭万林看来，这就是作为一名老师的“本分”。

    “大学教师要面对一个基本事实——你的学生需要应对的是二三十年后的世界，而这个世界与你现在熟悉的世界完全不同。”郭万林说，这就要求大学教师洞悉科学发展前沿，引领潮流，或者至少跟得上潮流，而非在熟悉的领域做一辈子。

    “一家企业可以专注做冰箱几十年，但老师是不能永远做‘冰箱’的。否则，当‘冰箱’被时代淘汰了，你还能做什么？”郭万林问。

    这样的理念也被郭万林应用到了对水伏学的研究中——在他的预测中，水伏学将发展出3个层次：水伏能源、水伏生态和水伏智能。而他已将研究团队按这3个方向进行划分。

    《中国科学报》 (2024-07-154 第3版 综合)

编辑 | 计红梅

排版 | 蒋志海