自1756始，经典物理现象“莱顿弗罗斯特效应”成为工程热物理领域延续多年的一大科学难题，直到2022年，这一百年物理效应终于被我国科学家破解。然而破解该百年物理效应的科学家的本科和博士期间的专业并不是工程热物理。他就是香港理工大学协理副校长（研究及创新）、郭氏集团仿生工程教授以及机械工程系讲座教授王钻开。

今年5月30日，恰逢第八个“全国科技工作者日”，王钻开荣膺2024年国际热科学纪念奖（Nukiyama Memorial Award，全球每2年颁发1人），以表彰其在工程热物理及工程科学等领域的重大贡献。而在此前不久，他刚刚受邀出席由美团青山科技基金发起的青山科技奖颁奖典礼，他因在低碳绿能领域取得跨学科创新研究成果，成为2021年首届青山科技奖9位获奖者之一。

突破 源头破解百年难题

什么是“莱顿弗罗斯特效应”？王钻开解读了专业名词。“洒在滚烫热煎锅上的水滴和油滴没有立即蒸干，而是悬浮在自身快速产生的蒸气膜上——这种现象被称为莱顿弗罗斯特效应。”

“从源头上，莱顿弗罗斯特现象是1732年赫尔曼·布尔哈夫首次发现。在1756年，德国医生约翰·莱顿弗罗斯特作出了更深入的研究，并以此命名。莱顿弗罗斯特现象在很多领域有着广泛的应用，但它的发生却致使传热性能大大下降，成为相变传热领域的一大拦路虎。1756年之后许多科学家对如何抑制这一现象展开了长期探索，却进展甚微”，王钻开谈到这一科学现象的破解和利用时，有着无比的紧迫感和责任感。打破这一物理效应，将有望催生与相变传热相关的多种前沿应用，对于我国航空航天、核技术、5G、量子通讯等高精尖技术的高速发展产生重大影响。尤其是面向极端高温壁面的高效散热，要想攻克，绝非易事。

有志者事竟成。2016年，王钻开及团队通过梯度结构表面设计，揭示了局部规避莱顿弗罗斯特效应的结构机制，可以将界面换热效率提升一个数量级。相关成果发表在Nature Physics期刊。2022年，他提出了“通过绝热加强传热”的三维热异质表面设计理念，开发了结构热装甲材料，首次在1,000°C高温表面上完全抑制了莱顿弗罗斯特效应，实现了高效液冷。研究成果有望为电子设备和核电站等多种应用场景的高效水冷技术的开发提供新的思路。”

2023年，他继续同香港城市大学曹之胤团队合作，成功开发了一种高耐候性、高机械性能的新型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。该发现对于可持续性、节能建筑解决方案的发展具有巨大的潜力。相关成果发表在Science期刊。

对于突破这一百年的物理效应，王钻开感恩于此前科研的磨砺。“过去在海外求学时，曾因科研进展缓慢，而在短短一年半时间内，被迫碾转于2个大学和3个不同的实验室。一个巧合的插曲是，根据科学家的“学术家谱”（Academic family tree）, 我恰好是莱顿弗罗斯特效应的发现者赫尔曼先生的第14代学术传承者，这也让我们在攻克这一百年效应的发展史上形成了一个闭环。同时，国际热科学纪念奖的设立旨在纪念在传热领域做出杰出科学贡献的Nukiyama教授，他于1934年发表了一项具有里程碑意义的沸腾研究成果，通过绘制一条优美的沸腾曲线，阐明了沸腾传热现象的物理原理。该曲线被称为 Nukiyama 曲线并出现在每一本传热教科书中。我们在根本上抑制上莱顿弗罗斯特效应，从而在一定程度上可以修正Nukiyama 曲线，这一切大概都是最美的相遇吧。”

创新 内心探索科学奇观

破解传热领域的百年效应，正是得益于他在前沿交叉领域的长期探索，尤其是对水这一生命之源的理解和利用。这也是他的科研模式的一个缩影——借助于大自然的智慧，开发高效仿生界面调控策略，实现对液体的潜热、动能和表面能的高效利用。“我们每个人何尝不像落在荷叶上的小水滴，虽然经常破碎，但也会韧性弹起。”王钻开常常用水滴精神勉励自己和团队。

2014年，通过仿生荷叶表面的研究，王钻开团队开发了最超疏水的材料，实现了液体在固体表面的纵向快速脱离，将固液接触时间比原有最小理论极限值缩短了80%，这一发现在能量收集、传热、自清洁、减阻和防冰等领域拥有广泛的应用潜力。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。2021年，通过仿生南洋杉叶片结构，王钻开团队研发的3D毛细锯齿结构表面，揭示了流体自主择向机理，打破了自1804年以来形成的流体自发流动方向与自身属性无关的传统认知，使流体可以沿不同路径、逆重力甚至克服温度梯度在固体表面上高效横向输运，这一发现为冷凝换热、抗结冰、微流控和界面减阻等研究领域的发展奠定了一定的理论基础。相关成果发表在Science期刊。

在前沿应用领域，2020年，王钻开团队发明了类晶体管式发电机，可以高效收集蕴藏巨大却常常被忽视的离散型水能，如雨水、气泡等，实现一滴水可以瞬间点亮100个LED小灯泡，将原有能源收集效率提升了3个数量级。美国物理学会评价该发明为“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。基于王钻开团队在仿生界面能源领域取得的系统性突破，2024年受邀在Nature综述类期刊Nature Reviews Electrical Engineering上撰写综述论文，回顾和总结该领域取得的最新研究进展，并展望未来发展方向。

在过去的十年中，王钻开已发表论文280篇，其中超过40多篇发表在《自然》与《科学》系列期刊，特别是最近连续4年以通讯作者在正刊发表4篇论文，并获得了一系列海内外重要奖项认可，主要包括：中银香港科技创新奖（2022）、青山科技奖（2021）、科学探索奖（2020）等；获得Falling Walls 国际跨界创新科学突破大奖（2023）、裘槎优秀科研者奖（2023）以及日内瓦国际发明展的评审团嘉许金奖（2022）；获选为香港工程科学院院士（2023）、香港青年科学院院士（创始成员）、香港研究资助局高级研究学者（2022）。

初心 创新诠释新质生产力

“科技创新是新质生产力形成的源头。新质生产力需要我们以新的思想、新的方法、新的手段来解决最根本的问题。发展新质生产力更需要我们科研人员具备耐心，守住初心，要站在历史的角度看待科研，深入推进科研进展。”王钻开对新质生产力有着别样的见解。

在2024中关村论坛年会“新基石科学论坛”上，王钻开点出了基础研究的重要意义。“基础研究的突破，至关重要。就是因为这些基础研究的突破，才能生各种黑科技、硬科技。在当前的双碳时代背景下，进一步深入先进热功能材料的基础和应用探索，加速未来科技的产业化实施，将会成为推动新质产业颠覆性变革的基石。”谈及该论坛重点讨论的材料科学，王钻开深有感慨地说。

王钻开说搞科研就像竹子的生长。“竹子在长出地面之前，用了4年的时间，仅仅长了3厘米，而一旦破土而出，则每天长30厘米。这就是著名的‘竹子定律’。基础研究就像竹子在地下漫长生长的过程，应用研究就犹如破土后竹子的拔节生长，这两者不是对立的。科学家的使命也是要静心攻克在地下的这几年，为破土后竹子的节节生长提供稳定支撑。”

王钻开还告诫他的学生，科研的路上不要惧怕挫折，挫折能让我们实现量子的跃迁，从而实现创新成果的突破。“用最少的投入回答最美的科学问题。”这是王钻开经常对学生说的话。借此，我们也坚信在创新发展的路上，王钻开定能开创更多科技成果，为助推新质生产力谱写最美篇章。

（文/王强）