走實用之路 聽創新凱歌
——記哈爾濱工業大學機電工程學院教授潘昀路

范佳樂

潘昀路在實驗室里做實驗

眾所周知，石油泄漏事故非常可怕，它不僅會造成大量的經濟損失，還會嚴重污染環境，威脅生物安全。可以說，石油每泄漏一滴，環境就惡化一步。雖然，石油泄漏事件在近些年才被媒體重點關注到，但實際上每年都有多達千萬公升的石油通過油輪泄露、海上石油鉆探操作泄漏等各種方式涌入大海。而如何用科技手段將泄漏的石油從海水中回收就是哈爾濱工業大學機電工程學院教授潘昀路最初瞄準的方向，這就需要發展高效的油水分離技術。

潘昀路表示，雖然一開始從事油水分離領域的研究是為了服務原油開采，但是他在研究過程中發現，多個環境保護領域對油水分離技術的需求也越來越大。2018年，潘昀路和他所在的團隊在油水分離方面取得新突破，成果發表以后，吸引了上百家企業前來尋求合作。這一方面體現了油水分離技術的實用性，另一方面也增強了潘昀路團隊的信心。接下來，他們將重點推進技術的升級和落地，使科研成果真正服務到實際生產當中。

做扎根社會需求的科研

潘昀路整個學生生涯幾乎都是在哈爾濱工業大學度過的，他本科學習的是測控技術與儀器專業，到博士階段，轉到了機械電子工程專業。雖然是不同的兩個專業，但他的關注點卻沒什么大的變化，始終圍繞測量與控制進行學習與研究。

潘昀路對微納測量研究的關注始于博士期間，但真正確定研究方向卻是在博士畢業之后。2010年到2012年，在中國國家留學基金委公派留學計劃的支持下，潘昀路前往美國俄亥俄州立大學做訪問研究。然而，通過在俄亥俄州立大學的學習，他意識到美國很多研究其實并不注重實際應用，這讓機械工程背景的潘昀路感到十分不踏實，他還是希望自己的研究方向能夠真正有一個很強的實際應用，能真正解決社會的重大需求。于是，再三考慮之下，他調整了自己的研究方向。

研究方向的任何一點微調都是十分冒險的，這表示潘昀路要做好未來很長時間內都可能做不出好成果的準備。實際上，博士畢業后的兩年內，潘昀路確實度過了一段很艱難的時期，直到2017年，他所做的研究工作才初見成效。

2018年，潘昀路和團隊在利用選擇潤濕性功能材料實現油水分離和液滴可控驅動方面取得新進展，團隊通過構造一種特殊的微納復合結構，突破了傳統表面能理論的限制，制備出一種完全不沾油卻同時完全親水的超浸潤功能涂層。將這種涂層涂覆在網狀基底上即可實現“阻油通水”式的油水分離，徹底解決了“阻水通油”式過濾存在的問題。

這一成果擁有非常廣闊的應用前景，特別是在工業污水處理、原油開采和海洋油污回收等方面具有非常重要的實用價值。潘昀路團隊還做了一系列的實驗，驗證了理論的有效性。成果作為封底文章發表在《先進功能材料》后，引起了廣泛關注，并得到了很多業內專家、學者的認可。

突破油水分離的困局

油水分離技術始終是世界科技前沿的熱點與難點。傳統的油水分離技術在許多方面存在嚴重缺陷，例如能耗大，效率低，核心材料的機械、化學耐久性差，易被油污染導致失效等。而至今在全球范圍內還沒有革新性的油水分離技術。

過濾式分離效率高、能耗低，被認為是油水分離技術發展的方向之一。雖然潘昀路團隊在前期工作中已經實現了超疏油性和超親水性的結合，但超疏油超親水表面的制備與應用仍存在較大缺陷，而制備方法較為成熟的超雙疏表面卻難以直接用于油水分離。因此，潘昀路承擔了國家自然科學基金的面上項目“耐久超雙疏表面特殊潤濕性轉化及其在油水分離中的應用研究”。這一項目致力于研究超雙疏表面轉化為特殊的水下超疏油性和油下超疏水性的機理與方法，進而實現基于超雙疏網膜的高效、全流程抗油的油水分離；同時通過改進表面處理工藝，提高超雙疏表面的機械和化學耐久性。最后，利用提出的耐久超雙疏網膜油水分離技術，實現“水中撈油”，探索海洋油污處理的新方向。

“超雙疏既疏油又疏水，表面的化學穩定性特別好，它在任何環境中都沒問題。正常來說，它是不能應用在油水分離中的，因為既不沾油，也不沾水。但是，我們現在做的工作就是怎樣把超雙疏運用到油水分離領域。”目前，潘昀路團隊在這方面的研究已經有所進展，他們研制了兩種表面材料，發明了“通油阻水”和“通水阻油”兩種油水分離方法，目前這兩項成果已經申請了發明專利。

雖然理論上的問題已經解決了七七八八，但是從理論到技術應用再到產業化，還需要很長的一段路要走。潘昀路表示，除了油水分離的相關研究，他們也正在進行一些其他類型的嘗試以滿足不同行業或企業的需求。

為生命筑起一道防線

近些年，石墨烯生物傳感器在個人健康、醫療檢測設備、可穿戴和植入式檢測器件等應用領域展現出了巨大的潛力。然而，人體分泌液中含有大量的雜質與非目標分子，該類分子在石墨烯表面的生物淤積使得核酸適配體-石墨烯場效應管表面親和型傳感器難以在其中準確檢測蛋白分子，且由于對石墨烯表面修飾方法的不可逆性，目前報道的石墨烯傳感器多為一次性使用產品，對傳感器的檢測性能和商業化生產造成了重大影響。

2020年，潘昀路團隊在生物傳感技術方面取得了新的突破，他們利用功能化的敏感表面，實現了對血液中心肌梗死標記蛋白質的快速檢測，為進一步為心梗病人爭取黃金時間提供了新的可能。

潘昀路團隊提出的通過化學修飾與物理沉降等方法在石墨烯表面構建可溶解的聚合物納米隔離層，在有效防止生物淤積的同時使傳感器具有可多次重復使用的能力。此外，團隊還提出了施加調節電場的方法，簡單且有效地提升了核酸適配體在石墨烯表面的修飾密度，進而增強了單位表面積響應激勵，提升了傳感器檢測極限。通過實驗與理論分析，團隊得到了相應的參數定量關系理論模型，并在血清、唾液、汗液和尿液等人體分泌液中蛋白分子的檢測實驗中驗證了上述相應方法的可行性，為核酸適配體-石墨烯場效應管表面親和型傳感器未來的臨床實際應用鋪平了道路。

課題組合影

心肌梗死的早期診斷對提高病患的生存率有著十分積極的作用，但是現有檢測手段通常需要在醫院進行專業操作。除此之外，新冠病毒的檢測也基本依賴核酸檢測，不但檢測時間長、體驗差，且篩查成本高。柳葉刀上的一項研究表面，新冠肺炎患者無論是輕癥還是重癥都伴隨著體液中細胞因子濃度的提升。潘昀路團隊開發的核酸適配體-石墨烯場效應管生物傳感器可以實現對心梗標記蛋白濃度的快速檢測，可以實現對細胞因子濃度的快速檢測，進而可實現對心梗、新冠肺炎等疾病的快速篩查。目前，相關研究已準備開展臨床實驗，團隊正在為推動其走向臨床一線而不懈努力。

身為高校教授，教學工作是立身之本。目前，潘昀路不但承擔了所在單位的本科生教學管理任務，還負責研究生的指導和管理工作。在教學工作中，潘昀路遵循因材施教的原則，根據不同階段的學生采取不同的教學方法。對于本科生，他注重加強他們的理論基礎；對于碩士生，他注重培養他們解決問題的能力；而對于博士生，他更樂意將自己放在“工作伙伴”的位置上。在他看來，博士生已經有能力把握研究內容，在這其中他只需給予方向性的指導和一些關鍵節點上的建議。

無論是科研工作，還是教學工作，潘昀路都還有很長的路要走，但對于未來要走的路，他有著清晰的規劃。目前，他的油水分離技術和二維材料傳感器兩項研究工作齊頭并進，他表示，兩項工作下一步的重點都是促進成果真正實現落地，扎根到實際生產當中，為中國的經濟建設貢獻力量，為哈爾濱工業大學新百年的建設增添色彩。