【中國科學報】郭萬林院士：用一滴水“裝下一個時代”
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6月24日，北京市發布了今年首個高溫黃色預警。
這一天，高溫炙烤著北京城。為了消暑，人們在陰涼處喝著冷飲，孩子們在噴泉邊嬉戲打鬧，泳池中擠滿了男女老少……在陽光照射下，大量水氣帶著熱量消散在空中，給人們帶來些許涼意。
也在這一天，在人民大會堂舉行的國家科學技術獎勵大會上，中國科學院院士、南京航空航天大學航空學院教授郭萬林榮獲2023年度國家自然科學獎二等獎。
這兩個場景看似毫不相關，但在郭萬林眼中，那些或消散在空中、或流淌于地面的水中，蘊藏著無處無時不在的能量，而他的目標便是將這些能量變成可用的電能。此次他獲得的這一榮譽，得益于多年來他在相關領域的工作和成績；而他未來的目標，便是將這個“能裝下一個時代”的新領域逐步擴展，為人類可持續發展開辟新途徑。
從水獲電這個領域，在郭萬林推動下已成為一門新學科——水伏學。
? ?一次“失敗”的實驗
什么是水伏學？問題的答案要從十多年前，一次“失敗”的實驗說起。
2010年，博士生殷俊在導師郭萬林的指導下嘗試驗證石墨烯在一定流速和離子濃度的水溶液中生電的實驗。然而，他嘗試不同流速和濃度組合后，儀器上記錄電壓的那條線依然沒有任何起伏。
很明顯，沉浸于水中的石墨烯不能生電，初步實驗失敗了。
但當殷俊將實驗紀錄回放給導師時，郭萬林卻注意到測量曲線尾部的一個劇烈波動信號。
“這里為什么有這么大的信號？”他問。
“那是我將石墨烯從水中拿出時，沒有關測量儀器而產生的。”
“既然將石墨烯從水中拿出時會產生這樣顯著的電壓，如果反復把它放入水中再拿出來，不就能反復生電？那如果水面沿石墨烯上下波動呢？”郭萬林讓學生進行波動實驗。結果發現，只要氣液界面沿石墨烯運動，電壓就會產生。
這是為什么？郭萬林帶領團隊開啟了長達三年多的系統深入的研究。
2014年，該團隊的關于水滴生電和波動生電的研究成果接連發表在《自然—納米技術》和《自然—通訊》上，給出雙電層邊界運動生電的拖曳勢和波動勢的理論，被國際同行評價為“拓展了動電效應兩百年的經典理論”“先驅性的結果”……
4年后的2018年，郭萬林在中國科學院技術學部做了《水伏科學技術的曙光》的報告并與團隊成員一起整理成論文在《自然—納米技術》上發表，首次提出“水伏效應”這一新概念。刊發時，編輯在封面以“水伏學——從水獲電的新途徑”進行推介，一門新學科由此誕生。
“所謂水伏學，簡單的說，就是研究水與材料物質相互作用，將水中的能量和熱量轉化為電能的途徑。”郭萬林告訴《中國科學報》，這種途徑是多樣的。比如，水滴在石墨烯表面滾動就能產生電，而且水滴運動越快，所產生的電量就越大。水的自然蒸發也能發電，只要蒸發不停止，就能持續穩定地發電。
現在，把多個厘米級的蒸發發電裝置集成起來，就可以持續驅動多種商用電子和電氣器件。而且可以從大氣中的水氣凝結－再蒸發中，源源不斷地把大氣中的熱能變為電能。
換句話說，在水伏學的研究范疇內，“水中取電”“空中取電”都不再是一個幻想。
? ?尋找登山的“臺階”
“取電”是一回事，取到足夠多的電卻是另一回事。
在郭萬林的課題組，一個標有“10V＠10mA”字樣的牌子一直被掛在實驗室最顯著的位置，上面數字的意思是“水伏生電的電壓達10伏、電流達10毫安”。
“這是當時我們給自己立的一個五年目標。”如今已經是郭萬林團隊成員的殷俊解釋說。
2019年，在英國完成博士后研究的殷俊回國，加盟了自己導師的團隊，這個牌子也是那一年掛起來的。
原來，水伏效應最初被發現時，其發出的電信號極其微弱，必須用高靈敏的電表才能測出毫伏、百納安級的發電量。經過多年努力后，課題組在2019年實現了1伏、微安量級的發電量。
然而，這樣的發電量仍然太少。
“作為能源，哪怕只是解決一臺筆記本電腦的用電，也要達到10伏、10毫安的程度。否則，其發出的能量實用意義十分有限。”郭萬林說。
于是，課題組在實現從“毫伏”到“伏”、從“亞微安”到“微安”的跨越后，將此后5年的奮斗目標寫在了那塊牌子上。
這塊牌子一掛便是4年。其間，團隊在理論計算、材料研究和器件研發中交叉迭代。在這一過程中，他們已經不記得在實驗室度過了多少個日日夜夜。
“這就像大家一起在爬山，所有人都在尋找登頂的臺階，沒有一個人知道臺階的具體位置。但是，總會有人在不經意間找到一節臺階。”郭萬林如此形容那段經歷。
團隊成員、南京航空航天大學航空學院教授張助華則將那段體驗形容為“痛并快樂著”。“科學家比普通人更能體會什么叫‘寂寞’，什么叫‘柳暗花明又一村’，因為我們要在沒有路的地方找到一條路。”他說。
雖然開辟一條全新的路極其困難，但自從發現水伏現象后，郭萬林便從未動搖過要開出這條路的決心。因為他清楚地意識到，這條路將通往一片怎樣開闊的天地。
“你有沒有考慮過，目前全球氣候變暖的本質是地球吸收的太陽光熱過多，既然這樣，我們的能源利用就應該沒問題，但事實為何不是如此？”交談中，郭萬林說，其原因就是目前包括風能、太陽能等在內的新能源利用方式均存在不穩定和間歇性問題，不能從無處無時不在的水循環中把太陽的光熱轉換為穩定可用的電能。
水伏現象卻不存在這個問題。
“比如，蒸發現象無時無刻都在發生，即便在夜晚或室內，水分依然在蒸發，這其中蘊含著大量能量。”郭萬林告訴《中國科學報》一組數字：目前太陽光熱達到地球表面的能量70％被水吸收，有90％都存儲在了水和水汽中。太陽到達地表的能量超過3.8萬千瓦時，而被人類所利用的能量只有30千瓦時左右。
在他看來，如果水伏學能夠真正應用于實際，能源問題將得到極大緩解，隨之得到解決的還有全球變暖的問題、生態問題。事實上，人類的健康領域以及人工智能領域也能依托水伏學得到極大發展——通常情況下，人體大腦的含水量約為70－80％，可以說人腦是在水中工作的，而腦電波的產生也很有可能與水伏效應有關。
“從某種角度說，水伏學‘足以裝下一個時代’。”郭萬林說。
? ?大學教師不能“做冰箱”
很多人不會想到，如今對一門心思研究“水”的郭萬林，其學術生涯卻起始于硬邦邦的“金屬”。
1981年，郭萬林進入西北工業大學學習。同年，他日后的研究生導師、我國航空事業奠基人之一黃玉珊教授在西工大創建了飛機結構強度研究所。
此后的20年，郭萬林一直躬耕于疲勞斷裂力學研究，并在飛機金屬材料的疲勞斷裂研究中取得一系列重要成果。然而，隨著研究的推進，郭萬林愈發覺得，要想進行更深入的研究，必須要在原子甚至量子的尺度有深入認識。
此時已是上世紀末，世界科學研究正在邁入納米科技時代。察覺到這一趨勢后，做慣了傳統力學研究的郭萬林牽頭在南航成立納米科學研究所，成為國際上率先專注納米科學研究的科研機構之一。
在此期間，郭萬林還將研究的觸角伸向腦科學，希望基于對離子、分子間相互作用機制的研究，探索大腦思維的奧秘。而當他發現水伏效應后，更是將兩者進行了結合……
在殷俊眼中，自己的導師在科研領域是一個“很不安分”的人——對科學研究永遠保持十足的熱情，喜歡探索科學前沿問題。
“更重要的是，他總是鼓勵自己的學生這樣思考、這樣做。用他的話說，反正你們‘啥都不懂’，還不如琢磨點兒新東西。”殷俊笑著說。
在郭萬林看來，這就是作為一名老師的“本份”。
“大學教師要面對一個基本事實——你所教的學生需要應對的是二三十年后的世界，而這個世界與你現在熟悉的世界完全不同。”郭萬林說，這就要求大學教師一定要不斷洞悉科學發展的前沿，要引領一個潮流，至少要跟得上潮流，而非在熟悉的領域做一輩子。
“一個企業可以專注做冰箱做幾十年，但老師是不能永遠做‘冰箱’的。否則，當冰箱被時代淘汰了，你能做什么？”郭萬林問。
這樣的理念也被郭萬林應用到了對水伏學的研究中——在他的預測中，水伏學將發展為三個層次：水伏能源、水伏生態和水伏智能。而他也已將自己的研究團隊按這三個方向進行劃分。
美國人埃隆·馬斯克研發的新能源汽車，名字取自歷史上的大發明家特斯拉。特斯拉有一句名言：能量其實到處都存在，只是我們怎樣把他們從所有地方都轉化成有用的能源？“而我們現在正在做這件事。”郭萬林最后說。
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