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X-Doctor | 水滴舞蹈:王钻开教授的仿生表面及其应用革新

已有 813 次阅读 2024-2-22 19:35 |个人分类:国际交流|系统分类:观点评述

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【X-Doctor】2024年,iCANX推出X-Doctor专栏,聚焦iCANX上独辟蹊径用科技创新改变世界的科学家和他们的科学发现,每期揭秘一位科学家和他/她的探索之路,独家报道、干货满满。欢迎大家一同感受科学的魅力,见证这些创新的力量。

第七期,X-Doctor将带你走近香港理工大学王钻开教授,感受他在仿生表面的创新研究。

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2021年11月26日,王钻开教授在iCANX Talks带来《神奇的表面》演讲,演讲的主要介绍如下:

冠状病毒病 (COVID-19) 的爆发让人想起了人与自然和谐共处的重要性。本次演讲的重点是如何寻求自然的准则和灵感,设计与调控材料的表界面行为以应对水、能源和健康工程等领域的重大挑战。首先,我将回答表面科学领域的三个科学问题:固/液接触时间的最短物理极限是多少(自从1876),液体是否能自主选择扩散方向, 以及如何完全抑制莱顿弗罗斯特效应。在应用研究领域,我将讨论如何开发面向应用的多功能表面/涂层,以及其在高效液冷、高效集水和能量收集、柔性器件和软体机器人等前沿领域的应用。

如果对这个演讲感兴趣,可以扫码查看回放:

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           ✦一、不屈不挠的求学之路

回想起他在吉林大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所先后获得学士、硕士学位的日子,那是一段对科研充满期待的时光。2003年,他放弃了在国内直接读博的机会,决定到国外深造。经过波折,拿到了来自美国波士顿大学的唯一offer。尽管如此,王钻开没有气馁,而是把这看作是一个全新的开始。

他的科研之路并不平坦。初到波士顿大学,王钻开选择了与他所在的机械系不太相关的课程,如射频电路、集成电路等。由于英语听力存在短板,再加上之前从未接触过这些课程内容,他的考试成绩并不理想。在学习上的困难使得他的导师早早便放弃了他,建议他换课题组,这对于任何一名学生来说都是巨大的打击。

但王钻开没有放弃,而是几经周折,找到了一个新的愿意接收他的课题组。在那里,他开始涉猎新的科研领域,如探索水凝胶的性能。尽管这个方向并非他最初的兴趣,但他的好奇心和以及对科研的激情引导他继续前行。但是在一个新的领域,以及与以前完全不同的实验内容,这让本就实验能力不强的他,课题一度几乎毫无进展,这也让他收到了第二个导师的“扫地出门”的信。

雪上加霜的是,当时又恰巧错过校招时间,这让王钻开的心情跌入了谷底。但他的心中仍有不甘,他不想就此放弃自己的科研生涯。在连续发出了100多封申请信,绝大多数都石沉大海,在几乎没有希望的时刻,他收到了美国伦斯勒理工学院教授Nikhil Koratkar的回复,成功申请到了2004年秋季的博士。

回顾王钻开的求学之路,我们不禁为他的坚持和勇气所感动。他经历了无数次的失败与尝试,但他始终坚信只有不断追求卓越,才能在科研领域取得突破。正是这种不屈不挠的精神,让他最终实现了自己的梦想。   wz4.png

 ✦二、卓越的科研成果

王钻开教授目前是香港理工大学机械工程学系的讲座教授以及仿生科学与工程中心主任,他的研究工作领域集中在仿生表界面科学与工程,在科学和技术上均取得了一定的突破。在他的学术生涯中,王教授取得了一系列重要成就,主要成果如下:

2014年,通过仿生荷叶表面而开发的超疏水表面材料,发现了液滴的饼状弹跳现象,实现了液体在固体表面的高效脱离。该发现在水能交互、防污、减阻和防冰等领域具有广泛的应用潜力。相关成果发表在Nature Physics期刊,并入选该杂志过去 15 年 15 篇代表性论文之一。

2020年,发明了类晶体管式发电机,可以高效收集离散型水能,如雨水、气泡等,实现了一滴水可以瞬间点亮100个LED小灯泡。该发明被美国物理学会评价为“上千年历史的摩擦电效应和疏水效应的巧妙结合”,为蓝色能源的高效收集提供了新的思路。相关成果发表在Nature期刊

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2021年,通过仿南洋杉叶片表面而开发的3D毛细锯齿结构表面,揭示了流体自主择向机理,打破了流体自发流动方向与自身属性无关的传统认知,在微流控、冷凝换热、抗结冰和界面减阻等领域具有广阔的应用前景。相关成果发表在Science期刊,被英国泰晤士报评价为“一项惊人的发现”。

2022年,通过近十年的耕耘,他领导的团队在莱顿弗罗斯特效应研究上取得了重要突破。首先于2016年,他们团队通过梯度结构表面设计,发现了高温表面的液体介于沸腾状态和莱顿弗罗斯特态的第三种热力学状态---Janus态,揭示了局部规避莱顿弗罗斯特效应的结构机制。相关研究发表在Nature Physics杂志。于2022年,通过把绝热、传热材质的巧妙组合,开发了热装甲结构,在1,000°C高温表面上完全抑制了莱顿弗罗斯特效应,实现了液体潜热能的高效释放。该发现有望为电子设备和核电站等高效水冷技术的开发提供了新的思路。相关成果发表在Nature期刊。

2023年.他们团队同香港城市大学曹之胤团队合作,开发了一种高耐候性、高机械性能的仿生多孔结构陶瓷,不仅能够抑制莱顿弗罗斯特效应,而且可以实现高效的光散射和近乎完美的99.6%的太阳反射率。该发现在更可持续和节能的建筑解决方案的发展方面具有巨大的潜力。相关成果发表在Science期刊。同年,他领导的团队通过研究蜜蜂的触角梳理行为,发现了固体排斥性的弹射机制。这一发现对于理解生物排斥性机制具有重要意义,并在仿生机器人和自清洁系统等领域具有广阔应用前景。相关成果发表在Nature Nanotechnology

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蜂巢上的固体排斥现象

王钻开教授的研究工作不仅展示了他在科学研究方面的深厚造诣,也体现了他在解决实际问题上的创新能力和实践精神。他的研究成果对科学和工程领域产生了深远的影响,并在多个领域具有重要的应用价值。

荣誉和认可

凭借在仿生表面赋能的能源利用和转化领域的杰出贡献,王钻开教授赢得了广泛的认可和荣誉。他不仅是香港工程科学院院士(2023)以及青年科学院创始院士(2018),还担任中国教育部长江讲席教授(2016)。2022年和2023年连续两年被评为“全球高被引学者”。国际仿生工程学会和英国皇家化学学会都授予他会士的荣誉头衔。同时,他还担任中国教育部长江讲席教授。

王钻开教授的研究成果不仅在学术界产生了深远影响,而且还获得了《健力士世界纪录》的认证,并荣获国际热科学纪念奖以及日内瓦国际发明展评审团嘉许金奖。他通过仿生表界面研究,在针对水-能源交互研究而取得的突破,为全球能源危机提供了新的解决思路。

此外,王钻开教授在指导博士研究生方面也取得了显著成就,已培养多个国家级青年人才,其中包括美国材料学会杰出研究生金奖获得者、上银机械优秀博士论文银奖获得者等。他的研究为生命科学、医学科学、化学科学、工程材料、信息科学、地球科学和管理综合等领域的发展提供了有力支持。

王钻开教授的故事是一个典型的逆袭故事,正是凭借着不屈不挠的精神和持之以恒的努力,他才能够在科研领域取得如此卓越的成就。作为一位杰出的科学家和研究者,他将继续为人类探索新的能源利用方式提供强有力的支持,为推动科学和社会的发展做出更大的贡献。

下期预告

下一期,X-Doctor将走近南方科技大学郭传飞教授,感受一下他在电子皮肤领域的探索之旅。

了解更多科学家的故事,或者你对更多的科学主题感兴趣,欢迎来到iCANX。

重磅通知

iCANX2024达沃斯峰会将于2024年7月11日-12日举行。本次大会将邀请数百名国际著名科学家、行业专家、政策制定者及知名投资人参会,在将近20个分论坛上,就创新、科学、技术、投资、管理和创业等多个话题分享和展示各自的最新成果,探讨行业未来的发展方向。

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