来源:复旦大学微信公众号 发布时间:2024/6/15 16:58:29
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留法6年→扎根复旦→首届钱学森杰出青年奖

 

风干的果实、精巧的花瓣

萎缩的大脑、老化的飞机蒙皮

日常生活中的各种褶皱

是复旦航空航天系教授徐凡

做研究的灵感来源

留法6年,入职复旦

这位“85后”科学家

扎根基础研究、拓展学科边界

取得一系列重要原创性科研成果

图片

凭借在力学学科前沿和

服务国家重大需求等

科技创新中取得突出成就

今天(6月15日)

徐凡被中国科学院力学研究所和

中国科学院大学教育基金会授予

首届“钱学森杰出青年奖”

发表获奖感言时,他说

'钱学森先生的精神将不断激励我

在基础研究、原始创新的

道路上继续前行”

研究“起褶子”问题

他是专业的

“我就是贴膜压褶的。”从事软薄膜失稳力学研究的徐凡,时常这样与人打趣。

轻质薄膜结构的稳定性是重要的科学和工程问题,也是固体力学的关键问题之一,对结构、器件性能和功能至关重要。薄膜失稳现象指剧烈的形貌改变,可以简单理解为“起褶子”。

从飞机蒙皮褶皱失效到病变大脑失稳萎缩,各种寻常不过的“起褶子”问题,蕴含着复杂的力学机制。徐凡的研究目标,就是要回答“为什么会起褶皱?如何调节褶皱?”等问题。

在徐凡的办公室书架上,多年来一直珍藏着几个皱巴巴的百香果。正是这毫不起眼的风干百香果,出现在了2022年10月Nature Computational Science封面上。那是复旦教师在此期刊发表的第一篇封面文章。

图片徐凡、冯西桥教授等在 Nature Computational Science 上发表题为Chiral topographic instability in shrinking spheres 的研究论文

这源于几年前,清华大学工程力学系冯西桥教授的办公室内放着一箱百香果,过了很久才想起来打开。他发现,失水萎缩的百香果表面有一种螺旋镖状形貌,顺手拍照发给了徐凡。

“这个是前人没有研究过的。”这引起了“褶皱专家”徐凡的浓厚兴趣。

他也买了一箱新鲜百香果,开始做实验,观察它一周内发生的变化;带领团队进行力学的理论建模计算,模拟百香果失水萎缩褶皱形貌的演化过程——从第一天表面光滑,到第四天形成一半顺时针、一半逆时针的手性螺旋镖,再到第七天出现了更为复杂的手性拓扑网络形貌……最终,揭示了收缩核壳结构中的一种新颖的手性褶皱拓扑形貌及其产生机制。

“大自然经过亿万年的变迁演化,是最为精妙的。”徐凡时常感叹,大自然就是最好的老师。在他的眼中,自然界不同生命结构都展现出了环境自适应的有趣形貌,蕴藏着生长、萎缩、曲率与褶皱等方面的力学原理,总有探究不完的科学奥秘。 

比如荷叶——曾在江湾校区散步的徐凡,被池塘里的荷叶吸引——浮在水面上的荷叶边缘有小小褶皱,完全离开水面、亭亭玉立的荷叶则褶皱波长更大,而有些扇形的睡莲却完全没有褶皱,这是为什么?

原来,荷叶等许多植物都会利用水面浮力,来控调自身形貌。深入探究后,徐凡发现了水基底影响软薄膜生长形貌的新机制,并建立了理论模型预测生长形貌演化。该研究在2020年发表在国际学术期刊Physical Review Letters,并入选封面文章和“编辑推荐”。

图片2020年,徐凡团队关于关于水(液体基底)对植物叶片生长形貌演化影响的研究成果以封面文章发表于Physical Review Letters

还有厨房角落里的辣椒,失水后会弯曲变形并出现六边形褶皱斑图。这类结构广泛存在于自然界,大到宇宙星系,小到水母、线虫,都有变曲率环形核壳结构。

变曲率到底如何影响生长或失水软物质形态发生?徐凡团队建立了基于微分几何的核壳模型,揭示了自然界中普遍存在的环形核壳结构变形后,其表面产生多相共存褶皱斑图的内在机制,发现了变曲率调控核壳表面多相失稳模态的关键无量纲参数。

保持好奇心

相信“无用”之“大用” 

在很多人看来,徐凡的“褶皱研究”自成一派。“你的研究有什么用”,成了他时常要面对的问题。

“基础研究往往就是推理公式、总结机制,或许你会觉得不够‘解渴’,但正是这些理论性成果,最好地诠释了自然现象背后的普适规律,构建起科学世界最根本的基石。”徐凡认真答道。 

“只有通过源头创新,才能解决那些卡脖子的关键技术问题。而真正的源头创新,就是向自然学习。”

徐凡立志要做原创性、颠覆性研究,哪怕这类研究不以当下应用为目的,“但是‘无用’恰恰能有‘大用’”。 

面对研究周期长、不确定因素多、出成果较慢、成果转化难等压力,徐凡坦言,做基础研究就像坐过山车,偶尔有高峰,更多是低谷,自己坚持下去的最大动力,就是一颗简单纯粹、不带任何功利的好奇心。

图片时至今日,这位青年科学家讲起“牛顿被苹果砸中脑袋”的故事,眼中依旧闪烁光芒:

“我相信,当年苹果砸在牛顿头上,牛顿也没想过怎么用,只是思考苹果为什么会落下来这个本质问题。几百年过去了,牛顿三大定律仍旧适用,且影响了整个物理学、天文学和工程学……”

从小到大,徐凡都是学习刻苦、成绩优秀的好学生,但绝非传统意义上的书呆子。他不爱死记硬背、机械“刷题”,倒是经常会有些稀奇古怪的想法,敢于想别人所不敢想。在武汉大学念本科,徐凡的毕业论文获得了湖北省优秀学士学位论文,那是他第一次接触科研。

“法国人有重视基础研究的文化传统,历史上出现过很多大科学家。”本可以保研的徐凡选择了“出去看看世界”,前往法国,先在巴黎高科国立高等工艺学校获得固体力学硕士,又在三年时间内从法国洛林大学的固体力学博士毕业。

读博期间,徐凡师从米歇尔·波蒂埃·费里(Michel Potier-Ferry),成为他的“关门弟子”。米歇尔是法国计算力学领域大家,曾获法国学术教育界最高荣誉“棕榈叶军官勋章”,曾担任法国大学力学学会主席。

图片徐凡和老师米歇尔·波蒂埃·费里(Michel Potier-Ferry)合影

六年留学时光,对徐凡而言意义非凡。米歇尔对他采取了“放牧式”的培养方式,让他可以在科学的广阔天地恣意驰骋,“就像一只羊,在草原上随便吃草,吃花也行,就是自由探索,喜欢什么就去研究什么。”

徐凡偶然读到一篇研究人类皮肤褶皱的论文,生发出好奇,便开始了研究。在米歇尔的指导和鼓励下,徐凡以第一兼通讯作者的身份发表论文,从此踏上了软薄膜力学的漫漫研究之路。

让米歇尔欣慰的是,徐凡不仅将他对于非线性问题求解的数值渐近法运用到不同的物理、生物力学场景当中,更进一步改进并扩展了该方法。

种好自己的“果树”

做原创性颠覆性研究

“生命中充满了力。只要有形状的地方,就有力在发挥作用。”自然界丰富有趣的薄膜失稳现象,吸引着徐凡忘我地探索揭示生命体中力学的普适规律。

在复旦开放包容、重视基础研究的学术氛围吸引下,徐凡2015年底回国,进入复旦大学担任青年研究员,并在三年后成为学校最年轻的教授之一。

图片由于褶皱存在于生物、材料、医学等各种领域,徐凡的研究也充满交叉色彩。他与来自各个学科的学者开展合作,钻研各类复杂的薄膜失稳问题,为新型材料、结构和功能器件研发等提供扎实的理论依据。

在复旦这片创新沃土之上,徐凡带领团队开展一个又一个有趣又可行的研究课题,手把手培养出了一批优秀毕业生,其中既有同济大学助理教授、华为工程师,也有“博新计划”获得者、上海市“超级博士后”。

图片徐凡和学生合影

如今,在徐凡建立的智柔体设计与制造实验室,你可以看到各种缩水的果实、仿生的植物。基于百香果的研究发现,团队正在研制一款类似机器猫爪的智能软抓手,可以精确抓起细小的黄豆、坚果、玻璃碎片,未来有望应用于清理太空中微小的垃圾颗粒,防止它们损坏航天器……

图片徐凡团队研发的一款褶皱拓扑形貌智能软抓手

2021年,上海市政府推出《关于加快推动基础研究高质量发展的若干意见》的创新举措,建立“基础研究特区”,旨在选择基础研究优势突出的高校和科研院所,面向重点领域和重点团队给予长期、稳定的支持,引导科研人员心无旁骛地从事前沿探索。

图片复旦大学入选首批三个“基础研究特区”之一,获得市政府每年2000万元、持续5年的资助。首批资助17个项目中,就有徐凡申报的“宇航光帆薄膜结构稳定性与智能调控”项目。

这个颇有科幻色彩的项目灵感,来源于霍金2016年提出的“突破摄星”计划——研制一款带有光帆的微型飞行器,用地球上发射的激光推动数千个飞行器,使其加速到光速的五分之一,飞往4.24光年外的半人马座α星,探测那里是否有可容纳生命的类地行星。

十多平米大小的宇航光帆,厚度仅100微米、重量仅几克,如何在高速运动的情况下控制其结构强度、韧性和稳定性?徐凡希望能通过主动调控曲率抑制其褶皱,防止激光反射方向不规则变化而导致飞行器偏离航线。

图片这么“天马行空”的想法能通过审批,令徐凡倍受激励,更为坚定了作为青年一代坚持走自主创新道路、服务科技强国建设的初心。

他借用复旦大学校长金力的话说,“静心‘种好自己的树’,而不是光摘‘别人树上剩下的果子’”,尽管这个过程漫长艰辛,甚至可能失败。

“虽不能至,心向往之”,是徐凡所追求的至高境界。正如他时常勉励学生,再难再累,也不要心浮气躁,更不能熄灭内心深处照亮灵魂的星星之火——对于科学的热爱、对真理的向往、对卓越的追求。

“回归本真,追问本质。哪怕我们不一定能解答,但是永远试图离它更近。这是每个从事基础研究的人的梦想。“

 
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