走科技創(chuàng)新之路 引領(lǐng)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展記南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授任鑫

◎ 文/傅雙僑 王 艷

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)對(duì)材料的特殊要求越來越多，常規(guī)物理、力學(xué)性質(zhì)的材料已經(jīng)不滿足特定的要求，所以涌現(xiàn)出大量的智能材料。負(fù)泊松比材料是具有受拉脹或者受壓收縮性質(zhì)的一種材料，屬于一種智能材料，是一種具有較高工程應(yīng)用價(jià)值的功能材料。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)以其特有物理性能，在紡織品、航空航天、軍事裝備、汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程器械、醫(yī)療器械、減震和防沖擊裝置、傳感器和智能過濾器等多個(gè)領(lǐng)域均得到應(yīng)用，也因此吸引了越來越多的學(xué)者開展負(fù)泊松比材料的研究。

生于1988 年的任鑫，現(xiàn)為南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。多年致力于負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)的研究，并取得了一系列創(chuàng)新成果。依托學(xué)校資源，近年來主持了包括國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金等多項(xiàng)重要項(xiàng)目，在負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域做出了積極工作和重要貢獻(xiàn)。

投身研究，在科研方面收獲累累碩果

2010 年，任鑫畢業(yè)于安徽大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，獲得學(xué)士學(xué)位，隨后到中南大學(xué)交通運(yùn)輸與工程學(xué)院開始了研究生的學(xué)習(xí)。2014 年至2017 年，他在澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)土木工程系，攻讀博士學(xué)位并擔(dān)任研究助理。2017 年底，任鑫以海外高層次人才的形式加盟南京工業(yè)大學(xué)，2018 年被評(píng)為南京市中青年拔尖人才。

“很感謝我的博導(dǎo)，澳大利亞工程院院士謝億民教授的高瞻遠(yuǎn)矚，為我選擇了負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)的研究方向，現(xiàn)在這一研究方向是極具研究前景的。”任鑫說道。

選擇一行，就要熱愛一行。在國外留學(xué)期間，任鑫在智能材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的權(quán)威期刊Smart Materials and Structures 上發(fā)表了兩篇封面論文，其中一篇被評(píng)為2015 年度精華論文。此后，在任鑫博士畢業(yè)的最后一年，他收到了該期刊發(fā)來的“負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)”領(lǐng)域相關(guān)的綜述邀稿，后來投稿并發(fā)表了一篇題為Auxetic metamaterials and structures： a review的 綜 述 論 文，該文截止目前引用數(shù)已達(dá)到251 次，被Smart Materials and Structures期刊評(píng)為該期刊見刊以來“閱讀量前十”的論文（下載量超萬次），同時(shí)也是一篇ESI 高被引論文。

回國工作以后，任鑫在搜索中文文獻(xiàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，詳盡地介紹“負(fù)泊松比材料和結(jié)構(gòu)”的綜述性文獻(xiàn)比較少、發(fā)表年份比較久遠(yuǎn)。為此，他撰寫了題為《負(fù)泊松比材料和結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展》的中文綜述論文，并在國內(nèi)權(quán)威期刊《力學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表。不到兩年的時(shí)間，該文下載量達(dá)到了2570 余次。此外，任鑫在負(fù)泊松比材料和結(jié)構(gòu)方面的研究成果也多次得到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)專家的認(rèn)可。其中，中國力學(xué)學(xué)會(huì)理事長、北京理工大學(xué)副校長方岱寧院士曾在包括“中國力學(xué)大學(xué)·2019”“第一屆全國超材料大會(huì)”等多個(gè)主旨匯報(bào)中介紹了他的研究工作及成果。伍珀塔爾大學(xué)固體力學(xué)主席也大篇幅引述了任鑫的研究工作。與此同時(shí)，任鑫還申請(qǐng)國家自然科學(xué)基金，在連續(xù)申報(bào)的兩個(gè)年度先后獲批題為《三維金屬負(fù)泊松比超材料設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能研究》和《嵌合負(fù)泊松比泡沫的新型混凝土材料的設(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究》的國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目和面上項(xiàng)目。這兩個(gè)都是關(guān)于“負(fù)泊松比”的項(xiàng)目先后立項(xiàng)，研究課題得到了評(píng)審專家們的充分認(rèn)可。這更加堅(jiān)定了任鑫繼續(xù)開展負(fù)泊松比材料和結(jié)構(gòu)研究的決心。

千里之行，始于足下。作為“第一個(gè)吃螃蟹的人”，任鑫首次提出了用模態(tài)比例因子設(shè)計(jì)三維金屬超材料的方法；成功將模態(tài)比例因子法推廣到設(shè)計(jì)負(fù)泊松比管狀結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)和制備了世界上首個(gè)能同時(shí)在壓縮和拉伸下表現(xiàn)出負(fù)泊松比的管狀結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)和制備了世界上首個(gè)具有負(fù)泊松比效應(yīng)的釘子；設(shè)計(jì)和制備了首個(gè)能在大變形下表現(xiàn)出具有負(fù)泊松比并具有周期胞元的金屬超材料。一路上的攻堅(jiān)克難，任鑫用多項(xiàng)耀眼成果妝點(diǎn)了自己的科研創(chuàng)新之路。

深耕科研,促進(jìn)科研成果的推廣與運(yùn)用

作為被研究得最多的力學(xué)超材料之一，負(fù)泊松比超材料能表現(xiàn)出反常規(guī)的變形行為。在受到豎向壓縮（拉伸）時(shí)，這些材料會(huì)橫向收縮（擴(kuò)張）。因其具有的特殊力學(xué)性能，負(fù)泊松比材料有著廣闊的應(yīng)用前景，如血管支架、傳感器、過濾器、隔音器、能量吸收等。

針對(duì)影響負(fù)泊松比材料推廣與應(yīng)用所亟待解決的問題，為設(shè)計(jì)出力學(xué)性能更優(yōu)的三維金屬負(fù)泊松比超材料，任鑫帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了“三維金屬負(fù)泊松比超材料設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能研究”的國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目研究。

項(xiàng)目還運(yùn)用3D 打印技術(shù)制備少量的三維金屬超材料以驗(yàn)證有限元模型同時(shí)測試三維金屬超材料的力學(xué)性能、特別是負(fù)泊松比變形性能的研究。據(jù)介紹，該項(xiàng)目的成功實(shí)施，將設(shè)計(jì)并制備出具有更大負(fù)泊松比效應(yīng)和具有更大有效應(yīng)變的三維金屬負(fù)泊松比超材料，從而極大地促進(jìn)負(fù)泊松比材料在吸能、防沖擊、抗震等領(lǐng)域的推廣與運(yùn)用。

聚力學(xué)術(shù)研究創(chuàng)新,解決實(shí)際工程問題

混凝土具有造價(jià)經(jīng)濟(jì)、耐火性好和抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的一種材料。但混凝土的開裂問題一直是混凝土科學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。混凝土開裂的原因有很多，如外部荷載、溫度變化、收縮和凍脹等因素，其中外部荷載引起的裂縫是最為普遍的一種情況。混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度但其抗拉強(qiáng)度通常不及抗壓強(qiáng)度的十分之一，因此在受到拉應(yīng)力時(shí)極易發(fā)生開裂。為了彌補(bǔ)混凝土材料的抗拉強(qiáng)度不足，實(shí)際工程中通常將鋼筋和混凝土兩種材料結(jié)合在一起共同工作。但鋼筋本身易發(fā)生銹蝕，也會(huì)加劇混凝土裂縫的擴(kuò)展，甚至導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

任鑫說道：“每年結(jié)構(gòu)的維護(hù)給國家?guī)砹司薮蟮呢?cái)政負(fù)擔(dān)，對(duì)于關(guān)系國家命脈的重大工程，結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的大型橋梁和建筑物垮塌將造成不可挽回的慘重?fù)p失。因此，研究能有效緩解混凝土開裂和剝落的方法具有極其重要的工程意義。”瞄準(zhǔn)國家重大需求，任鑫迎難而上，長期堅(jiān)持帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)致力于負(fù)泊松比材料相關(guān)的學(xué)術(shù)研究創(chuàng)新，解決實(shí)際工程問題。

為解決現(xiàn)有混凝土材料易開裂、易剝落等問題，任鑫帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開展了“嵌合負(fù)泊松比泡沫的新型混凝土材料的設(shè)計(jì)及力學(xué)性能研究”國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的研究。

他介紹，負(fù)泊松比泡沫材料以其良好的抗剪切性、抗凹陷性、斷裂韌性和疲勞耐久性等優(yōu)點(diǎn)在諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。混凝土中負(fù)泊松比材料的引入可以有效改善混凝土表面的應(yīng)力分布和開裂現(xiàn)象。負(fù)泊松比材料具有良好的抗凹陷性能，受壓時(shí)其附近區(qū)域的材料會(huì)迅速向受壓區(qū)域聚集，有效減小材料的受壓變形。在軸向受壓的混凝土材料的側(cè)向包裹負(fù)泊松比泡沫材料具有兩方面的優(yōu)勢：一方面，混凝土材料在受壓時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)向膨脹，對(duì)包裹于外部的負(fù)泊松比泡沫材料會(huì)產(chǎn)生壓力，使負(fù)泊松比材料向受壓區(qū)聚集，可對(duì)混凝土的開裂起到約束作用；另一方面，可減輕由于混凝土開裂剝落產(chǎn)生的粉塵和顆粒物對(duì)環(huán)境的污染。

“通過負(fù)泊松比泡沫材料與混凝土材料的有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)和制備出一種耐久性高且節(jié)能環(huán)保的新型混凝土材料，將極大地促進(jìn)新材料在土木工程中的應(yīng)用與推廣。”任鑫說。

注重學(xué)生科研素質(zhì)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

多年的科研工作經(jīng)歷，帶給任鑫更多的思考，他不但埋下頭來搞科研，還注重對(duì)下一代的培養(yǎng)。作為一名碩博導(dǎo)師，任鑫目前指導(dǎo)15 名研究生，與澳大利亞工程院院士謝億民院士共同指導(dǎo)1 名博士研究生和1 名碩士研究生。此外，任鑫還指導(dǎo)多項(xiàng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，獲得了諸多榮譽(yù)；指導(dǎo)本科生參加江蘇省大學(xué)生土木工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)新競賽獲“省級(jí)特等獎(jiǎng)”；指導(dǎo)本科生和研究生組隊(duì)參加第五屆江蘇省力學(xué)青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲得了“省級(jí)二等獎(jiǎng)”。

對(duì)于學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)，任鑫有自己的見解。在任鑫看來，對(duì)大學(xué)生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)應(yīng)該從大一新生開始。“從指導(dǎo)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽的經(jīng)驗(yàn)來看，我發(fā)覺大一新生剛?cè)雽W(xué)，對(duì)于創(chuàng)新和科研很有想法。應(yīng)從大一新生中選拔有想法、敢創(chuàng)新、熱愛科研的學(xué)生重點(diǎn)培養(yǎng)。”任鑫說道。

與此同時(shí)，任鑫每周都給研究生開組會(huì)，同時(shí)也邀請(qǐng)參加創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽本科生一起參加。任鑫說：“大一新生沒有科研的固定性思維，因此敢提問、愛提問、敢于表現(xiàn)自己，這樣有利于富有創(chuàng)意的好想法產(chǎn)生。以科研為指引，讓本科生參與組會(huì)當(dāng)中，使得本科的課程不再只是理論，學(xué)生將科研項(xiàng)目和問題帶到理論學(xué)習(xí)中，有利于本科生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)。”

談到創(chuàng)新，任鑫表示，自己常鼓勵(lì)學(xué)生要學(xué)會(huì)“胡思亂想”，放開自己的思維。同時(shí)，他認(rèn)為創(chuàng)新需要基礎(chǔ)，因此引導(dǎo)學(xué)生了解行業(yè)領(lǐng)域的情況，了解行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求和存在的實(shí)際問題，建議學(xué)生通過廣泛閱讀，建立牢固的知識(shí)體系。此外，也應(yīng)加強(qiáng)老師與學(xué)生跨學(xué)科的意識(shí)。任鑫表示，從目前來看，單一學(xué)科的基礎(chǔ)性創(chuàng)新越來越難，但跨學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新相對(duì)簡單一些。跨學(xué)科和多學(xué)科交叉的創(chuàng)新，要求老師和學(xué)生具有更廣的知識(shí)面、能打破舊有的傳統(tǒng)學(xué)科的思維定式，因而需要老師和學(xué)生都具有極強(qiáng)的和可持續(xù)的學(xué)習(xí)能力，也就是終身學(xué)習(xí)的能力。作為教師更應(yīng)該以身作則，增強(qiáng)持續(xù)不斷的學(xué)習(xí)。

2020 年，任鑫獲得了“南工勸業(yè)杯”第五屆江蘇力學(xué)青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”的殊榮。說到這一榮譽(yù)，他表示：“榮獲優(yōu)秀指導(dǎo)教師是榮譽(yù)也是責(zé)任，未來我會(huì)繼續(xù)不忘初心，勤奮教學(xué)，深耕科研、帶好團(tuán)隊(duì)，為國家和社會(huì)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。”