廈門大學(xué)教授侯旭長期致力于液基材料系統(tǒng)的研究。他聚焦多學(xué)科交叉前沿，在微觀世界打造一個“液體之門”。從組建課題組團隊到搭建實驗室、自主開發(fā)科研儀器，侯旭帶領(lǐng)團隊潛心研究“液體門控”的新機制與技術(shù)應(yīng)用，踏上“從0到1”的科研路。
在微觀世界打造了一個“液體之門”，實現(xiàn)物質(zhì)的高效可控運輸與分離——這是廈門大學(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。
(資料圖片僅供參考)
聚焦多學(xué)科交叉前沿，今年40歲的侯旭長期致力于液基材料系統(tǒng)的科研，用以提升膜材料的功能與穩(wěn)定性。他首創(chuàng)和引領(lǐng)的液體門控技術(shù)位列世界權(quán)威化學(xué)組織——國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會發(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，“液體門控”在化學(xué)化工、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、能源環(huán)境、航空航天等領(lǐng)域不斷開花結(jié)果。
剎那靈感，勇闖“無人區(qū)”
侯旭的辦公室里有一張小型棕色雙人沙發(fā)。沙發(fā)上坐過化學(xué)化工領(lǐng)域的專家、研究材料科學(xué)的學(xué)者，也有生物醫(yī)藥專業(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(yī)學(xué)、工程、信息等多個領(lǐng)域。
2006年，侯旭從四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(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年又前往國外進行膜科學(xué)相關(guān)的仿生材料應(yīng)用科學(xué)的博士后研究。從生物醫(yī)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。
博士后研究期間，侯旭在一次分離實驗中發(fā)現(xiàn)，通過簡單的壓力變化，就可以利用液體開啟關(guān)閉氣體與液體的輸運。液體是否也可以成為“門”？
侯旭介紹，在微觀世界，大面積的固體膜材料表面具有難以避免的缺陷。固體膜無法完全阻隔微小物質(zhì)的傳輸，也會造成途經(jīng)物質(zhì)的殘留，時間一長，膜材料就會被污染甚至堵塞，這正是污水處理、空氣凈化、海水淡化等場景中的痛點。
但液面沒有這種缺陷。“液體的流動性能使材料表面達到分子級的平整。若將液體穩(wěn)定在固體多孔膜中，讓多孔膜作為‘門框’，液體作為‘門’，在壓強作用下，‘液門’關(guān)閉時，即使是氣體分子也無法通過，而‘液門’打開時，就可以實現(xiàn)物質(zhì)的快速運輸與分離。”侯旭打了個比方，“就像給微觀世界的‘水簾洞’安上智能開關(guān)。”
從剎那的靈感出發(fā)，侯旭等人于2015年首次提出“液體門控機制”的概念，踏進未知的“無人區(qū)”。2016年，侯旭入職廈門大學(xué)，成為雙聘教授，組建課題組團隊、搭建實驗室，潛心研究“液體門控”的新機制與技術(shù)應(yīng)用。
腳踏實地，從奇思到現(xiàn)實
踏上一條“從0到1”的科研之路，沒有前人研究可供參考，更缺乏“稱手”的研究工具。
研究初期，為連續(xù)觀察和測量微觀尺度的壓強，侯旭購置了傳感器、電源和顯示器等配件，簡單拼裝了一個測壓設(shè)備，“數(shù)據(jù)全靠手抄，一秒就要抄一個數(shù)據(jù)，抄完后再把數(shù)據(jù)錄入電腦換算，并進行分析，一天只能做兩三組實驗。”侯旭說。
為更高效地開展實驗，侯旭團隊自主開發(fā)了先進的測試儀器和裝置系統(tǒng)。液門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，可以實時監(jiān)測流體跨膜過程中的壓強變化并開展性能分析，同時實現(xiàn)觸屏操作、遠(yuǎn)程監(jiān)控、云端輸出與分析等功能，能明顯提高實驗效率。
挑戰(zhàn)不止于此。“交叉學(xué)科研究帶來了最大的驚喜，也帶來了最大的難題。”侯旭介紹，一開始，也有一些人覺得他的想法不切實際，甚至無法實現(xiàn)，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(xiàn)有領(lǐng)域中又很難找到歸屬。”
經(jīng)歷短暫的迷茫后，侯旭調(diào)整好心態(tài)，決定讓事實和時間說話。“跟著別人的腳步走，不如自己引領(lǐng)一條新路。做科研要學(xué)會坐冷板凳，只要是自己熱愛并認(rèn)為正確的事，那就堅持走下去。”
幾年過去，侯旭的團隊發(fā)展到30多人，“液體門控”也逐漸發(fā)展成形，奇思妙想成為現(xiàn)實。
2018年，侯旭作為項目負(fù)責(zé)人主持和開展了國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項孔道膜材料的相關(guān)項目，推動海水淡化技術(shù)取得新進展；2019年，侯旭團隊開發(fā)了曲率可動態(tài)調(diào)控的碳納米管陣列膜系統(tǒng)，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，首次運用液體門控技術(shù)，提出不同微尺度的顆粒物在水界面上的高效過濾與吸收機制，攻克了現(xiàn)有空氣凈化中從過濾吸收、防污防腐、抗菌除臭到長期運行的技術(shù)難關(guān)。
目前，侯旭團隊已發(fā)展了多種響應(yīng)性液體門控系統(tǒng)，并推動液體門控技術(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(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)工程等方面的應(yīng)用。
服務(wù)社會，做有價值的科研
科研之路沒有終點。侯旭的課題組吸納了來自生物、醫(yī)學(xué)、物理、機械、儀器、化學(xué)化工、人工智能等多專業(yè)的學(xué)生，團隊在交流與合作中不斷接觸和學(xué)習(xí)新知識。
如何設(shè)計和制備“液體門控”體系中更可控、更穩(wěn)定、響應(yīng)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)？“還有很多問題需要繼續(xù)努力探索。”侯旭說。
“我們對這項研究的發(fā)展非常有信心。”提及液體門控技術(shù)未來的應(yīng)用前景，侯旭打開了話匣，“液體門控技術(shù)不僅能在污水處理、空氣凈化等大規(guī)模過濾和分離過程中發(fā)揮重要作用，還將在能量轉(zhuǎn)換與存儲、物質(zhì)檢測、界面?zhèn)鬏敗⒈銛y式可穿戴設(shè)備等前沿應(yīng)用領(lǐng)域帶來驚喜。”這段時間，侯旭在探索新技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研合作，“希望能加速實現(xiàn)前沿科學(xué)技術(shù)的成果落地，盡快服務(wù)社會。”
從事科研工作以來，侯旭已在國內(nèi)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)新爭先獎、科學(xué)探索獎、中國化學(xué)會青年化學(xué)獎、國際仿生工程學(xué)會杰出青年獎等榮譽。
在科研攻關(guān)之余，侯旭還熱衷于從事科普工作。在鄉(xiāng)村學(xué)校，他把艱深的前沿技術(shù)講成生動的故事；在實驗室里，他指導(dǎo)高中生學(xué)員實踐科研探索項目；在電視屏幕前，他同年輕觀眾開展科普對話……“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。
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