板凳精神 凭借“冷板凳”精神洞察“微观世界”

合肥，中国青年报客户端，2007年12月10日。近日，中国科学技术大学特聘教授王凤超教授与诺贝尔物理学奖获得者、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授合作，在纳米受限毛细凝聚研究方面取得重要进展。研究结果于12月10日发表在国际知名学术期刊《自然》上。

宏观上，当空气体中水蒸气的分压达到饱和蒸气压时，水开始凝结。但当尺度减小时，表面张力使气液界面弯曲，冷凝压力也随之变化。这种现象用开尔文方程定量描述。

在这项工作中，中国科学技术大学研究团队通过理论分析和计算模拟，发现固液界面的力学作用在纳米受限毛细凝聚中起着重要作用，而不是人们普遍认为的液气界面。因此，他们修正了经典的开尔文方程，建立了新的纳米受限毛细凝聚理论，并将该方程的适用性扩展到亚纳米尺度。

王凤超介绍，该研究不仅为理解纳米受限毛细管凝聚提供了关键的理论基础，而且在微电子、医药、食品等行业具有非常重要的实际应用前景。

图:纳米受限毛细管冷凝；纳米通道器件和实验观察示意图；纳米通道横截面的STEM图；毛细凝聚临界相对湿度尺寸效应的实验、理论和模拟。

王凤超团队名为“中国科学技术大学现代力学系计算力学实验室”，主要方向为“微纳结构材料的力学行为与设计”、“固液界面力学与有限传质”和“计算力学方法与应用”。实验室学术带头人为中国科学技术大学工程科学学院执行院长吴恒安，团队20余人，90%为30岁以下青年研究生。

图:纳米受限毛细凝聚示意图。石墨烯纳米通道器件壁的变形和纳米受限毛细凝聚的艺术设计:马子松，闫亮

这是一支年轻的队伍，但也有很大的成就。近年来，实验室带头人吴恒安获得国家高等教育教学成果二等奖、宝钢优秀教师特别奖等。王凤超还入选中国科协青年人才提升工程、中国科学院青年创新促进会，2019年获得国家自然科学基金优秀青年基金资助。

值得一提的是，该实验室与曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组的合作已经持续了11年，在《自然与科学》上发表了10篇文章。

图:王凤超教授在实验室

近日，中国青年报、中国青年网记者走进实验室。力学方程、理论建模、程序设计、数据分析、仿真研究...这些外人眼中平淡甚至枯燥的术语，是团队日复一日对科研孜孜不倦的追求，也是这些年轻人勇攀科研高峰的基础源泉。

“每一项科研成果都必须持续几年”

在科研的轨道上，竞争是毅力和坚持，这离不开科研兴趣的重要驱动力。

王凤超回忆，上述研究是2016年开展的。2017年5月，论文合作者发现了自己，想寻求二维材料模拟的支持来构建毛细管通道。王凤超已经几个月没什么进展了，心里没底。他一直在思考如何克服难题。

王凤超一直有躺在床上思考想法的习惯，经常半夜醒来，思考一会儿，然后就要睡觉了。2018年初的一个晚上，他突然想出了一个方案，迅速起身写下想法，经过团队反复修改，花了几个月的时间整理文字和图纸，最终证明是成功的，为今年文章的发表奠定了基础。

在别人眼里，王凤超的生活很单调，发文章，上课，过着一目了然的退休生活。“然而，每当你想到解决问题的关键思路时，兴奋感就会持续好几天，甚至好几天都睡不着觉。”王凤超坦言，在回忆自己的科研时，这种兴奋、疲惫和迷茫交替出现。

2003年，王凤超来到中国科学技术大学学习理论与应用力学。大二时，他一头扎进学校实验室，跟着师兄们去听课。当时他模拟分析了化学容器内的气体流动，通过模型计算，气体混合更加均匀。他觉得很“好玩”，从此喜欢上了模拟实验。

大学期间，王凤超还与志同道合的网友交流，学习软件源代码程序，提高了模拟计算水平。“网友的帮助让我深有感触。有些人甚至从头到尾教我代码。我决心学习这个，教更多的人。”

2010年，王凤超攻克了固体表面液滴动力学的一个关键问题，计算了两个液滴结合反弹的速度。但是他几个月没有突破，陷入瓶颈期，所以没有放弃。

一年后，他突然顿悟，意识到不仅表面能影响研究结果，粘度耗散也有影响，于是成功发表论文。那一年，他觉得自己真的投入到了科研中。

2012年6月，成为博士后的王凤超进入吴恒安的实验研究组，慢慢长大。“我是一个追求完美的人。有时候在实际应用中看到一些有缺陷的经典力学方程，会很焦虑。我总想在方程中加入一个修正项，让方程的应用更加完整，这就迫使我不断探索，不断寻求知识。”

这些年，王凤超早就习惯了做重复的事情半年甚至更久。“每一项科研成果都要持续好几年，甚至之前的成果都被多次重塑。”他觉得这是一个提升科研实力，消化吸收知识的过程。

“科学研究的旅程就是要支持兴趣，要有耐心和试错的勇气。即使走进死胡同，也不要觉得浪费时间。每一次失败都是财富。”35岁的王凤超觉得科研就像爬山。一座山后面还有更高的山，所以挑战会越来越大。要从长计议，找准奋斗方向。

“理论和实验是平等的”

除了对科研有浓厚的兴趣外，通过坚持和奋斗发现新思想、发现新问题也是团队的共同特点。实验室的领跑者吴恒安，是不断创新发现的道路。

吴恒安回忆说，2009年的一天，他给英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授写了一封信，想去拜访他的团队进行研究。“当时，安德烈教授从世界各地招募研究人员，研究石墨烯在各个领域的特性。第二天早上，他给我回了一封长信，因为我有力学研究的背景，希望能帮他完成跨学科的研究。”

随后，吴恒安与安德烈教授的研究小组合作，用氧化石墨烯制作了一种新型的气体绝缘透水材料。这种材料的神奇之处在于，大多数液体和气体无法通过它，但水蒸气可以不受阻碍地通过它。

吴恒安介绍说，在那次实验中，研究小组发现水蒸气可以穿过物质，但有了结果，科学原因就不清楚了，于是海姆教授请吴恒安用力学原理解释这一现象。

吴恒安是根据宏观模型的思想推导出来的。半年后，他发现研究思路错了。然而，在反复的失败和试错中，他提炼并提出了新的理论:蒸发和毛细管驱动定向运水。

“我得搞清楚，发现科学机制。”经过日夜奋战，吴恒安设计了全新的实验方案，验证了提出的新理论的科学性。

上述研究成果于2012年1月27日发表在《科学》杂志上，在国际学术界引起巨大反响。之后，吴恒安和安德烈教授开始了长时间的合作。安德烈教授团队负责实验，吴教授团队负责实验结果的建模和解释。

这一科学研究也给了吴恒安一个新的启示:实验和理论是平等的，它们应该相互结合，相互支撑，理论不仅可以解释实验结果，还可以指导实验。

沿着这一思路，2016年10月13日，吴恒安教授和海姆教授在石墨烯纳米通道水输运方面取得了重要研究进展，合作成果发表在《自然》杂志上。吴恒安团队利用理论分析和分子模拟研究了纳米通道中水的输运机制，发现固液界面的力学作用对纳米流动行为具有决定性影响，为纳米尺度的材料输运提供了新的平台和思路。

科研是一个“共同体”，团队是以学生为中心的

45岁的吴恒安还记得27年前考入中国科学技术大学时的情景:那时候，他在高考前填报志愿。他从未见过招生老师，没有互联网，甚至没有电话。他只知道，在收到乡村邮递员寄来的信封的那一刻，自己就已经被中国科技大学录取了，他的狂喜永远不会被忘记。

他一直珍藏着那张漂亮的红色录取通知书。他觉得这代表了他十八岁时的初心——努力攀登科技高峰。吴恒安在HKUST以优异的成绩完成了从本科到博士的学业，获得了中国科学院院长奖。十多年来，他把大部分时间都花在了学生训练上。

他始终认为，科研是一个“共同体”，每个人、每个环节都很重要。团队要有共同的志向和价值观，追求学术上的卓越和突破，互相学习。“给学生机会，给他们创造环境，尊重每个人的观点，让每个人都玩空”

实验室主要有三个研究方向。辅导老师习惯和学生待在一起，挤在一个小办公室里讨论问题，聊上一整天。老师经常发现学生们饭后聚在电脑旁讨论问题。

每年实验室毕业的学生，都会在学校附近的咖啡馆开展告别活动。除了定期的告别会和答谢会，毕业生们还会和弟弟妹妹们聊一聊自己的科研经历、建议和克服困难的经验，以此来传承科研经典。

“在团队中，学生甚至要学习大量的物理、化学和英语知识才能克服交叉学习中的困难。有时候，一年中可能不会有几篇文章，但每个人都坚信所做的研究是有意义的。”在吴恒安看来，每天的科研过程中，都有困难。没有他们，科学研究毫无意义。做科研就是挑战困难，决心很重要。

“我也经常鼓励学生不仅埋头研究，还要经常互相学习，通过组织报告、参加学术会议等方式锻炼沟通能力。”吴恒安告诉记者。

“年轻的科研人员不应该盲目地去想产业化”

一路上，很多人经常问吴恒安:“做研究有什么用？”

“别人没发现的，我们发现了，这就是做世界第一人的成就感。发表的成果也可以被别人利用，这是我们的专业要求。”他说。

有几次一篇文章发表后，很多企业打电话说想投资成果，但吴恒安觉得从科学理论到技术应用有一个过程，不可能马上落地。“科研不是为了今天和明天，而是为了后天！”

有人认为“做科学是为了应用技术，只是为了赚钱。”但是，吴恒安认为，作为一名年轻的科研工作者，在当前自由探索的环境和条件下，更应该热爱自己的事业，全身心地投入到科学研究中去，而不是一味地想着马上产业化。

长期以来，实验室与中石油勘探院、大庆油田合作，研究增产措施。近年来，吴恒安对纳米受限传质的研究得到了很大的应用。简单地说，当储集岩的孔隙达到纳米尺度时，就需要利用纳米通道中物质输运的微观力学机制进行有效的油气生产。

“我们的科研成果服务于非常规油气开采研究，这是一项具有挑战性的技术突破，转化了新的开采方案，降低了开采成本。”吴恒安说，可以看出，科学研究并非“无用”，科学的前沿与国家的需要有关。国内在研发方面存在一些瓶颈，总是需要有人做基础研究，然后一步步突破关键科学问题。

对此，他经常告诫学生:“有些学习感觉离我们很远，但实际上它们是我们生活中不可或缺的。只有研发出高水平的成果，转化才有意义，研究的冷板凳要坐十年。”

王凤超也持同样观点。他认为年轻的科研人员不应该仅仅为了发表文章而“追逐热点”，科研也是一个训练解决难题、培养团队协作能力的过程。只要坚持，总会在某个领域“挖到矿”。