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(tuán)隊(duì)到搭建實(shí)驗(yàn)室、自主開發(fā)科研儀器，侯旭帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)潛心研究“液體門控”的新機(jī)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(shí)現(xiàn)物質(zhì)的高效可控運(yùn)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。

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(tuán)隊(duì)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(jìn)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(cái)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(shí)驗(yàn)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(yùn)。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(shí)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(diǎn)。

但液面沒有這種缺陷。“液體的流動性能使材料表面達(dá)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(qiáng)作用下，‘液門’關(guān)閉時(shí)，即使是氣體分子也無法通過，而‘液門’打開時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的快速運(yùn)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(jī)制”的概念，踏進(jìn)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(tuán)隊(duì)、搭建實(shí)驗(yàn)室，潛心研究“液體門控”的新機(jī)制與技術(shù)應(yīng)用。

腳踏實(shí)地，從奇思到現(xiàn)實(shí)

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(qiáng)，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(jìn)行分析，一天只能做兩三組實(shí)驗(yàn)。”侯旭說。

為更高效地開展實(shí)驗(yàn)，侯旭團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)了先進(jìn)的測試儀器和裝置系統(tǒng)。液門流體跨膜壓強(qiáng)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(shí)時(shí)監(jiān)測流體跨膜過程中的壓強(qiáng)變化并開展性能分析，同時(shí)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)際，甚至無法實(shí)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(shí)和時(shí)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(jiān)持走下去。”

幾年過去，侯旭的團(tuán)隊(duì)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(shí)。

2018年，侯旭作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持和開展了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)孔道膜材料的相關(guān)項(xiàng)目，推動海水淡化技術(shù)取得新進(jìn)展；2019年，侯旭團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表最新研究成果，首次運(yùn)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(jī)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(yùn)行的技術(shù)難關(guān)。

目前，侯旭團(tuán)隊(duì)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(jià)值的科研

科研之路沒有終點(diǎn)。侯旭的課題組吸納了來自生物、醫(yī)學(xué)、物理、機(jī)械、儀器、化學(xué)化工、人工智能等多專業(yè)的學(xué)生，團(tuán)隊(duì)在交流與合作中不斷接觸和學(xué)習(xí)新知識。

如何設(shè)計(jì)和制備“液體門控”體系中更可控、更穩(wěn)定、響應(yīng)性更強(qiáng)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(xiàng)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(shí)間，侯旭在探索新技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研合作，“希望能加速實(shí)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(yù)。

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(shí)驗(yàn)室里，他指導(dǎo)高中生學(xué)員實(shí)踐科研探索項(xiàng)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(yùn)，國家的發(fā)展給我們帶來了更強(qiáng)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。