【聚焦】执着钻研 交叉创新 揭示“猪笼草”在生物制造中的奥妙

点击数:    |    加入时间:2016-04-08

执着钻研 交叉创新 揭示“猪笼草”在生物制造中的奥妙

——访在《Nature》在线刊发最新成果的北航科研团队

记者 王晴

2016年4月7日,世界顶级期刊《Nature》在线发表了我校机械工程及自动化学院陈华伟教授、张德远教授团队的最新研究成果 “Continuous directional water transport on the peristome surface of Nepenthes alata”(《猪笼草口缘区表面液膜连续定向搬运机制》)。消息传来,引起社会热切关注和媒体的广泛报道。

明媚的午后,记者如约在张老师的办公室见到了该研究的四位主要作者:张德远教授、陈华伟教授、博士生张鹏飞、博士生张力文。几句简单的介绍后,张老师微笑着谈起他们的研究。


张德远教授团队在实验室(从左至右:张德远 张力文 陈华伟 张鹏飞)

水可以倒着流:小小猪笼草的奇妙启示

“你知道猪笼草吧?”见记者稍显迷惑,张德远教授笑着说,“猪笼草是一种生活在旧大陆热带地区的植物,它有着湿润的‘嘴唇’,当昆虫在其‘嘴唇’表面爬行时,常常会‘失足’滑落进捕虫笼内。我们通过深入表征分析猪笼草口缘区微观结构特征,惊奇地发现,液体在猪笼草口缘能够沿着单一方向快速搬运,从而首次发现液膜单方向搬运的神奇现象。也就是说,在猪笼草的口缘区,水可以从低往高流。”

张德远教授说,课题组在《Nature》上发表的研究,是从认知自然、师法自然出发,揭示自然生物原型体表表面单方向液体搬运新现象,开创性地提出了无动力自润滑防粘新理念,对解决微创手术器械防粘技术难题具有重要参考价值。

一直以来,各国科学家们对猪笼草类叶片形貌做了大量微观表征,对其表面微纳结构特征也有一些了解。但是,很多研究仅仅局限在微观结构表征上,很少涉及到表面结构特征与液体介质间微观尺度上的作用机制研究。而猪笼草口缘区液膜单方向搬运的神奇现象,是张德远教授团队以微创医疗器械表面超滑防粘为目标导向,首次揭示的。

研究团队通过液体、气体在界面上微观流动的动态观测,揭示了单方向液膜搬运机理,提出了基于梯度楔形盲孔、梯度拱形边缘的单方向液膜搬运表面的仿生设计新方法;通过对比试验,进一步发展了传统泰勒毛细升理论,提出了梯度泰勒毛细升、闭口梯度泰勒毛细升理论计算模型;同时,基于生物复制成形方法实现了逼真形貌的转移制造,揭示了表面亲水、疏水特性对单方向液膜搬运能力的影响规律,为仿生设计与生物制造打下了技术基础。

“我们的研究,就是利用大自然的现象,在细微方寸中,得到启示。这篇文章,是我国高校机械工程学科领域首篇在《Nature》在线发表的文章。”张教授无不自豪地说道。

据悉,研究成果可直接用于各个领域,例如医工结合方面,解决微创手术在高温环境下粘刀问题,进行无耗能‘水膜’补充,提高手术效率,也就是说,这项研究大大解决了手术过程中手术刀与人体软组织的粘连问题;农业方面,解决沙漠干旱植物滴灌供水,实现长距离搬运;工业方面,实现‘自润滑’,降低结构复杂度;甚至还可应用于MEMS微流体芯片、无人机表面防冰等众多领域。

崎岖科学道路上的探问之道

张德远教授、陈华伟教授及其团队在研究仿生表面制造方面不懈探索20余年,单就对猪笼草口缘区的研究也已持续2年多。“一路走来有过挫折和失败,也曾有过犹豫不决的时候,但是,我们从未想过放弃,我们的目标,很明确。”陈华伟教授笃定地说。

在研究过程中,很多结果仅仅依靠实验室现有的设备是无法验证的。面对这种情况,张德远教授自筹经费,拿出近二十万元为实验室购买新设备。

然而,具备实验条件却并不一定能得到好的实验结果,还需要团队所有人员的不懈探索与努力。

团队的精诚合作是打开科学大门的钥匙。在采访中,四位主要作者一致表示,成功离不开每一个人的付出。在前前后后2年多的研究探寻中,正是因为有张德远教授的高瞻远瞩、陈华伟教授的悉心指导、博士生张鹏飞的严谨与创新、以及博士生张力文的大量实验配合,还有40余名团队成员的“心往一处想、智往一处谋、劲往一处使”,才有了今天的科研硕果。

两位教授认为,要想在科学崎岖的山路上看到无限风景,除了应具备愚公移山式的奋斗精神外,在当今社会,利用好学科交叉融合非常必要。团队在得到了对于猪笼草研究的总体结果之后,陈华伟教授带着研究结果与我校化学与环境学院江雷院士进行了深入交流与沟通。通过与江雷院士近半年的不断思维交叉碰撞、深入讨论之后,研究成果才得以渐渐显现。

“正是机械工程学科不断与化学、生物制造等领域的交叉融合,才让思维的火花不断迸发。大家齐心协力,共同通过自然现象揭示本质,才使研究获得最后成功”,张德远教授一再强调。

在大家的执着努力下,“生物制造”这一前沿交叉方向得到了各方的认可和支持。在研究过程中,国家基金委机械学科的王国彪主任、赖一楠主任对研究方向进行了悉心指导,学校和学院在已经很紧张的办学条件下,挤出独立的实验空间为这个实验室创造条件,并在人才引进、生源配比等方面倾斜支持,同时研究生院的交叉学科奖励博士生计划、博士生创新基金计划也对该研究方向十分青睐。张教授表示,这一成果是在各方支持下大家共同努力取得的。

师徒合力 为梦想执着奋斗

张鹏飞,一名土生土长纯“校产”的北航本硕连读的直博生,是该项研究的共同第一作者(学生第一作者),也是我校第一个在《Nature》上发表论文的在读博士生。

张力文,一名同样优秀的直博生。在校期间,以学生第一作者身份在ACS Applied Materials&Interfaces发表论文一篇,于2014年提前攻读博士学位。

两位优秀的博士生,共同师从张德远教授和陈华伟教授,在北航这片时刻注重人才培养的“沃土”上,在两位导师的悉心培养和指导下,张鹏飞和张力文迅速成长,在科研的道路上不断攀登高峰。

“从面试第一眼,我就知道张鹏飞是一个搞科研的好材料”,张德远教授欣慰地说,“他认真、严谨,完全具备搞科研的必备素质,他的创新性与细微性,让我放心把国家自然基金重大项目这个重任交付给他。”

上天总是把机会留给有准备的人。在近一年半的撰稿过程中,张鹏飞在实验室的灯光下,不知奋斗了多少个日日夜夜。研究过程中,团队所在实验室要进行整体改造,张鹏飞只能在旁边稍微简陋的一个小屋子里做实验,为了细致分析实验现象,他常常一个人工作到深夜。冬天的深夜,实验室又冷又静,张鹏飞独坐其中,常常自我鼓励:在博士的道路上,能够留下些有意义的东西,就值得为此坚持下去。

“为了投稿中的一张高质量照片,我们常常需要拍摄几十甚至上百次样张,而这上百张中也许也只有一张可以达到要求。为了拍摄一组完美的视频,更是常常需要连续几天的拍摄。我们在撰稿中的每一步,都近乎达到完美的程度。”

这一句轻描淡写的“完美”,却始终像一个标杆,贯穿着他们一直以来的研究。

相逢之处皆师友。两位博士生对导师们同样充满着感激之情,张鹏飞表示,如果不是两位导师的丰富科研经验和正确研判,能够及时抓住这极为特殊的猪笼草实验现象,他很有可能将这一实验结果丢弃,与成功失之交臂。

在修稿过程中,他们没有周末,也没有假日,整个团队始终发扬老一辈北航人“脚踏实地、吃苦奉献”的精神。不论春节、元宵节和中秋节,两位导师和张鹏飞都是在一起,一遍又一遍地修改着内容。

“就连大年三十的那天晚上,我们也是在一起吃的年夜饭,然后又在一起讨论、修改论文中度过的”,陈华伟教授深有感触地说。

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来。一路走来,道路或许并不一帆风顺,但高瞻远瞩的导师队伍、团结合作的学术氛围、严谨扎实的科研风尚、全身心投入研究的平和心态,却使他们感受到了奋斗带来的喜悦和人人倾情的生命真谛。

这是张德远教授团队共同努力的“基石”,也是所有北航人身影的浓缩。

实验室中,师徒们依旧为自己钟爱的事业,为人类更加美好的未来,研究着、探寻着……
 

编辑:王晴

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