行山于微尺度世界

王芳 王艷敏

如果從喧囂繁華的香港印象中跳脫出來，從空中俯瞰會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)廣達(dá)四分之三的郊野山地，才是“香島”的本來面貌?！靶猩健笔菑埿杳髯顬橄矚g的一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。周末，他常常會(huì)把學(xué)生從繁重的實(shí)驗(yàn)工作中撈出來，邊慢走邊探討問題。香港的山小而平緩，蜿蜒的山徑隱于密林，徐徐而上，不久就至山頂。坐在頂上，微微冒汗的身體在海風(fēng)的吹拂下涼爽下來，飲茶吃食，縱覽風(fēng)景，一切的煩惱煙消云散。亦師亦友，這是屬于他們的愜意一刻。

在張需明的眼里，微流控的世界就如這座香島，小而美，但是承載著他深遠(yuǎn)的科研夢(mèng)想。常年沉浸在應(yīng)用物理研究世界，張需明在率真的本性上又形成了務(wù)實(shí)的品德。他越來越渴望將技術(shù)成果轉(zhuǎn)化落地，希望學(xué)生跟著自己不僅僅是學(xué)理論、搞技術(shù)、寫論文。他期待著的，是他們能夠真正投入市場(chǎng)的洪流中去，把科研的理念貫徹到商業(yè)，將真正優(yōu)質(zhì)的科技產(chǎn)品銷售到市場(chǎng)上，造福社會(huì)大眾。香港理工大學(xué)的校訓(xùn)“開物成務(wù)，勵(lì)學(xué)利民”正道出他的心思。

在香港理工大學(xué)多年，以微流控技術(shù)為主攻方向，張需明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做出了一個(gè)又一個(gè)令人驚艷的成果。比如，將二氧化碳和陽光轉(zhuǎn)化為碳水化合物，為緩解糧食危機(jī)、解決二氧化碳排放等率先探出一條路;自主研發(fā)微藻快速選育微流控技術(shù)，已初步驗(yàn)證和在生物反應(yīng)器進(jìn)行規(guī)模生產(chǎn)，可用于高級(jí)營養(yǎng)品、生物柴油和人造肉的開發(fā);升級(jí)版的光催化反應(yīng)器則成功解決現(xiàn)有消毒工藝中存在的二次污染和致病菌復(fù)活的問題，并可降低污水處理工藝的成本;模擬昆蟲的復(fù)眼結(jié)構(gòu)開發(fā)出的輕巧靈敏的曲面人工復(fù)眼系統(tǒng)，為安全監(jiān)控、機(jī)器人視覺、自動(dòng)駕駛、無人機(jī)成像、遠(yuǎn)程醫(yī)療等需要大視角、全局視場(chǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景提供關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)等。

張需明的研究從來不是走老路，每一次的課題，他都力求創(chuàng)新實(shí)用、與時(shí)俱進(jìn)。在他看來，科研如行山，每條路在不同時(shí)節(jié)都有獨(dú)特的景致，春去秋來，變化萬千，百探不厭。

打好基礎(chǔ)，持續(xù)深造

微型化、集成化和智能化，是現(xiàn)代科技發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。微流控（microfluidics）是一種精確控制和操控微尺度流體，以在微納米尺度空間中對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能，諸如將樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)等縮微到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力，其基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成。作為一門涉及工程學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、微加工和生物工程等領(lǐng)域的交叉學(xué)科，微流控對(duì)研究者的交叉學(xué)科背景有著強(qiáng)烈要求。

張需明的交叉學(xué)科背景還要從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“中科大”）讀書時(shí)說起。

1989年，出身鄉(xiāng)村的張需明憑借優(yōu)異的成績(jī)，從縣城中學(xué)考入中科大。中科大在精密儀器專業(yè)課程的設(shè)置上融入了豐富的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)內(nèi)容。本科5年，張需明在數(shù)理化方面打下了深厚的基礎(chǔ)，為以后從事交叉學(xué)科的研究提供了許多便利。1994年大學(xué)畢業(yè)前夕，打算攻讀碩士學(xué)位的張需明面臨著兩個(gè)選擇：一是留在中科大;二是接受推薦，前往上海光學(xué)機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱“上海光機(jī)所”）。張需明最終選擇了后者。從來沒有離開過安徽老家的他，第一次遠(yuǎn)行去上海，對(duì)當(dāng)時(shí)的他來說“如去天邊”。但是能夠在豐富多姿的大城市中尋求前途，還是令他興奮不已。

在上海光機(jī)所，張需明的導(dǎo)師是王桂英教授，其研究方向是光學(xué)工程，主攻X光的全息成像?！巴趵蠋煂?duì)學(xué)生有一顆父母心，不管是學(xué)習(xí)還是生活，她都給了我很多關(guān)心?！庇缮虾９鈾C(jī)所起步，張需明走上了光學(xué)研究之路。與此同時(shí)，在研究所之外，中國的光纖通信正在大規(guī)模發(fā)展，在傳輸干線上全面取代電纜。經(jīng)過國家“六五”“七五”“八五”“九五”計(jì)劃，中國已建成“八縱八橫”干線網(wǎng)，連通全國各省區(qū)市，已敷設(shè)光纜總長(zhǎng)達(dá)250萬公里。光纖通信已成為中國通信的主要手段，光纖人才緊缺。在此背景之下，1997年7月，碩士畢業(yè)后，具有光學(xué)背景的張需明作為搶手人才資源被企業(yè)高薪聘請(qǐng)。

然而，在企業(yè)工作與在研究所從事科研是兩回事。工作了大半年，天性自由的張需明意識(shí)到，自己還是喜歡學(xué)術(shù)氛圍濃厚、自由度更高的科研工作。也正是這一覺悟，讓他堅(jiān)定了自己要走科學(xué)研究之路的信念。于是，他開始準(zhǔn)備出國留學(xué)。“正巧，我有一個(gè)老師從新加坡國立大學(xué)訪問回來，告訴我們那邊正在大量招收研究生?！贝藭r(shí)正值20世紀(jì)末，新加坡經(jīng)濟(jì)騰飛，被譽(yù)為“亞洲四小龍”之一。吸引外來優(yōu)秀人才是新加坡在國力建設(shè)上的重要政策。然而，人生地不熟，怎么申請(qǐng)新加坡研究生呢？張需明想到了一個(gè)“笨辦法”。他去圖書館查閱最新的光學(xué)期刊，從上邊找到新加坡高校的研究論文，論文上會(huì)附通訊作者的地址。張需明選了幾位不同學(xué)校的導(dǎo)師，按照地址分別寄去手寫信。1998年9月的一天，他突然收到了一封來自新加坡國立大學(xué)的回信，導(dǎo)師在信中歡迎他前去留學(xué)。就這樣，辦妥手續(xù)，一個(gè)月后，張需明就踏上了新加坡國土。

低谷之后，嶄露頭角

1998年10月，張需明來到新加坡國立大學(xué)的時(shí)候，原本滿懷希望是要讀博士的。“但是到新加坡的前3個(gè)月，我沒有拿到明確的課題。實(shí)驗(yàn)室的其他老師都在做光學(xué)檢測(cè)，我也不太感興趣。1999年春節(jié)過后，我開始著急起來。當(dāng)時(shí)正好碰到一位從國內(nèi)過去的老師劉愛群，他在做硅微機(jī)械方面的研究，我就跟著一起做?！笔聦?shí)上，在新加坡國立大學(xué)的這段時(shí)光，是張需明科研生涯中的低谷階段。身處異國他鄉(xiāng)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展不順，論文的寫作過程異常艱難。2000年1月，劉愛群拿到南洋理工大學(xué)的副教授之職離開了新加坡國立大學(xué)，張需明更加感到無助。于是，他決定以碩士身份提前畢業(yè)，然后轉(zhuǎn)到南洋理工大學(xué)去，繼續(xù)跟著劉愛群讀博士。

“我一般在晚上寫碩士畢業(yè)論文。吃過晚飯回到實(shí)驗(yàn)室，七八點(diǎn)鐘大部分人都走了，留下我們幾個(gè)‘夜貓子’。打開電視，聽著音樂，我就開始很苦悶地寫。有段時(shí)間，電視里一直在循環(huán)播放周星馳的《大話西游》《九品芝麻官》等電影。埋頭寫論文的間隙，突然就會(huì)被一兩句機(jī)智的臺(tái)詞擊中，哈哈大笑。”“星爺”電影中小人物的無奈、辛酸和血淚，經(jīng)過一個(gè)艱苦的過程獲得勝利或解脫的大結(jié)局，在某種程度上令張需明感同身受。難熬的碩士畢業(yè)論文就這樣在“星爺”的陪伴下，終于還是捱過去了。

劉愛群是一位非常善解人意和負(fù)責(zé)任的老師，為了緩解張需明的經(jīng)濟(jì)壓力，先幫他申請(qǐng)了南洋理工大學(xué)的助理研究員職位，一年后又幫他申請(qǐng)了攻讀在職博士學(xué)位的機(jī)會(huì)。邊工作邊讀博，壓力雖大，但是張需明甘之如飴。碩士期間進(jìn)展不順的課題，此時(shí)也逐漸有了起色，成果不斷。張需明第一次真正體會(huì)到了科研的樂趣。每每提起這段經(jīng)歷，他都對(duì)自己的導(dǎo)師劉愛群感激不已。

在新加坡南洋理工大學(xué)期間，也是張需明嶄露頭角的階段。在劉愛群老師的用心指導(dǎo)下，張需明主要從事微機(jī)電系統(tǒng)的研究。在2003年和2005年，張需明兩次獲得南洋理工大學(xué)工程學(xué)院技術(shù)展覽周金獎(jiǎng)。之后，他更是以突出的成果獲得亞洲華爾街日?qǐng)?bào)香港分社頒發(fā)的2005年度青年發(fā)明家獎(jiǎng)（Young?Inventor?Awards）銅獎(jiǎng)、2006年度國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金、2006年新加坡工程師協(xié)會(huì)杰出成就獎(jiǎng)（IES?Prestigious?Engineering?Achievement?Awards）。相關(guān)研究成果多次被《法蘭克福匯報(bào)》、波分復(fù)用解決方案（WDM?Solutions）等國際期刊、媒體專題報(bào)道和采用。

2005年8月到2007年9月，張需明在南洋理工大學(xué)以千禧年博士后身份開展研究。之后，他又成功獲得前往美國馬里蘭大學(xué)（大學(xué)城）做助理研究員（帶教職）的機(jī)會(huì)。從偏僻的鄉(xiāng)村到縣城再到省會(huì)合肥，從上海到新加坡再到美國。某種程度上，張需明一步一步的經(jīng)歷是奇幻的，戲劇性十足，像一位誤打誤撞又聰明的草莽英雄，就如周星馳電影里的那些人物一般。但是，從另一方面來說，他的經(jīng)歷又是順理成章的。因?yàn)樵谥袊?，有許許多多的人都是通過持續(xù)地接受教育與勤勉的奮斗來改變自己的命運(yùn)的。也因此，即使在海外的科研工作做得再風(fēng)生水起，祖國對(duì)張需明來說始終是最具吸引力的地方。2009年，手握30余篇國際期刊的高水平論文，張需明受邀加入香港理工大學(xué)應(yīng)用物理系，開啟了自己的又一段科研征程。

加入理大，致力轉(zhuǎn)化

在寸金寸土的紅磡地帶，香港理工大學(xué)鬧中取靜，磚紅色的樓宇矗立其間，顯得遺世獨(dú)立。工作日，張需明常常會(huì)穿梭在幾棟樓之間，教課、做實(shí)驗(yàn)。

在張需明看來，微流體技術(shù)是一門與社會(huì)生活聯(lián)系十分緊密，同時(shí)又非常有趣的學(xué)科。在神奇的微觀世界中，運(yùn)動(dòng)于狹窄通道中的微流體，與花灑、水管噴出的亂流不同，它們狀態(tài)非常穩(wěn)定，以有組織的平行流沿通道向下流動(dòng)，其流體和顆粒嚴(yán)格遵循數(shù)學(xué)上可預(yù)測(cè)的路徑，簡(jiǎn)直是一大奇跡。這種廣泛存在于大自然中的層流現(xiàn)象，長(zhǎng)期以來也激發(fā)出無數(shù)科研人員的靈感。在現(xiàn)代精密工程和醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，微流體技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用。從實(shí)際出發(fā)做科研，實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化，是張需明一直以來的心愿。

面對(duì)目前國內(nèi)外廣泛采用的污水處理工藝存在的難以去除對(duì)人體有害的生物難降解有機(jī)物的問題和紫外光消毒技術(shù)缺乏持久性消毒能力的現(xiàn)象，張需明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)著手探討可以與紫外消毒相結(jié)合的改進(jìn)的消毒技術(shù)。在研究中，他們研發(fā)出紫外光催化技術(shù)。這是一種利用紫外光能驅(qū)動(dòng)的高級(jí)氧化技術(shù)，既可以去除現(xiàn)有工藝出水中的生物難降解有機(jī)物，又可以破壞致病菌的細(xì)胞壁，強(qiáng)化紫外殺菌過程，消除紫外殺菌不能持久殺菌和細(xì)菌復(fù)活的隱患。經(jīng)過多年探索研究，他們同時(shí)解決了上述常用污水處理工藝面臨的兩大難題。

2013年，中國批準(zhǔn)裸藻作為新資源食品，由此開啟了微藻龐大市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。根據(jù)歐洲藻類生物質(zhì)協(xié)會(huì)2021年的報(bào)告，到2028年微藻產(chǎn)品市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到18億美元，年增長(zhǎng)率大于10.3%。此外，隨著碳排放要求越來越嚴(yán)格，能夠大量吸收二氧化碳的微藻養(yǎng)殖也為要實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的國家提供了一個(gè)頗有前景的商業(yè)化路徑。針對(duì)這些需求，張需明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出單細(xì)胞微藻育種芯片。這一芯片利用微流控平臺(tái)形成大規(guī)模單細(xì)胞微藻陣列，集成流體、溫度、光照等微環(huán)境控制功能。它可以監(jiān)測(cè)微藻生長(zhǎng)及目標(biāo)產(chǎn)物的含量，進(jìn)行微藻培養(yǎng)及快速批量篩選，從大量誘導(dǎo)變異微藻源中快速高效選育獲得高產(chǎn)藻株，定向生產(chǎn)特色高價(jià)值營養(yǎng)成份（如DHA、EPA、油脂、多糖等），并探索出優(yōu)化培養(yǎng)條件，提高產(chǎn)率，降低成本。利用微藻選育芯片，可以將一次選育周期從6個(gè)月縮減到1個(gè)星期，把需要長(zhǎng)時(shí)間（數(shù)年的量級(jí)）的培養(yǎng)條件優(yōu)化縮減至幾天的量級(jí)，把一個(gè)選育周期只能測(cè)試一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)藻種提高到批量篩選幾百到幾萬個(gè)藻種，大幅提高獲得最優(yōu)藻種的成功率。目前，張需明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)了第一代芯片，期望進(jìn)行實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用和推廣。

當(dāng)前，碳排放問題急需全球性的努力來避免災(zāi)難性氣候變化。張需明認(rèn)為，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的、富含能量的材料，是具有經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性的解決方案。于是他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)模擬自然光合作用，開發(fā)出人工光合作用（APS）系統(tǒng)，利用陽光將CO2轉(zhuǎn)化為葡萄糖前體，為進(jìn)一步加工成食品提供基本原料。他研究利用微流控平臺(tái)來簡(jiǎn)化光捕獲和分步酶促反應(yīng)，使用可吸收可見光的半導(dǎo)體光催化劑（例如C3N4、Cu2O、Au/TiO2）來取代葉綠素，以高效利用太陽光、提高耐用性。此外，他還使用NaHCO3溶液可控地增高CO2濃度。更重要的是，張需明通過將RuBisCO和其他酶固定在微反應(yīng)器不同區(qū)域或微流控平臺(tái)的不同微滴上，提高了酶活性，使得酶可被重復(fù)使用，也避免了逆反應(yīng)和交叉污染。

在近期的研究中，張需明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了以13.8μmol?g.1?RuBisCO?min.1的產(chǎn)率來連續(xù)生產(chǎn)葡萄糖前體，顯著提升了RuBisCO的性能，提高了酶穩(wěn)定性（儲(chǔ)存穩(wěn)定性增加7.2倍，熱穩(wěn)定性6.7倍）和可重復(fù)性（5次循環(huán)使用后仍保有90.4%的活性，10次循環(huán)后保有78.5%）。此研究利用微流控平臺(tái)技術(shù)來復(fù)現(xiàn)APS途徑，僅用很少量的RuBisCO就能連續(xù)合成葡萄糖前體。因此被學(xué)界寄予厚望：“盡管與工業(yè)生產(chǎn)尚有距離，但張博士的工作演示了基本食物材料的人工合成，將有益于緩解糧食危機(jī)，也可能對(duì)載人空間站和未來太空移民有用。”

基于相關(guān)研究，2011年至今，張需明多次在國際光流體學(xué)多學(xué)科會(huì)議、國際先進(jìn)技術(shù)材料會(huì)議、國際微化學(xué)與微系統(tǒng)研討會(huì)等國際學(xué)術(shù)會(huì)議上獲得最佳墻報(bào)獎(jiǎng)、最佳論文獎(jiǎng)。在2018年，張需明還榮獲IOO國際基金會(huì)和國際光流體協(xié)會(huì)頒發(fā)的創(chuàng)新獎(jiǎng)。深耕微流控技術(shù)領(lǐng)域多年，迄今為止，張需明已經(jīng)在國際權(quán)威期刊發(fā)表論文200余篇，相關(guān)成果多次被媒體以專題、亮點(diǎn)、封面形式報(bào)道。而在不遠(yuǎn)的未來，張需明最希望的，就是這些科技成果都能一一得以轉(zhuǎn)化落地。因此，在他近年來的招生要求中，最醒目的一條就是“目標(biāo)為畢業(yè)后去深圳開個(gè)小公司，把研究成果做成產(chǎn)品”。

啟發(fā)引導(dǎo)，創(chuàng)造自由

生活里急脾氣的張需明，做起科研來卻慢悠悠。這種慢里邊，有一種篤定的自信和不急于求成的非功利心態(tài)。帶團(tuán)隊(duì)的過程中，他根據(jù)自己過往的經(jīng)歷，以及從老師們那里傳承來的寶貴經(jīng)驗(yàn)，形成了一套自己的方法學(xué)。

張需明從來不會(huì)強(qiáng)制給學(xué)生規(guī)定任務(wù)和目標(biāo)，一般只是確定研究方向，定期詢問進(jìn)度，與學(xué)生一起復(fù)盤、總結(jié)。他尤其注意給不同的學(xué)生分配差別較大的方向，避免趨同競(jìng)爭(zhēng)。張需明希望學(xué)生做研究能“做得爽”，真正將這當(dāng)成一種愛好，在興趣驅(qū)動(dòng)下，自發(fā)去探索和交流。而學(xué)生們也常常不負(fù)所望，既保持著對(duì)科研的熱愛，也接連做出成果，這令張需明倍感欣慰。

2016年，張需明指導(dǎo)的研究生蔡智聰和楊沛航研究出太陽能光催化污水凈化器，成本只為傳統(tǒng)污水凈化花費(fèi)的十分之一，受到《星島日?qǐng)?bào)》的報(bào)道。2018年，在第十一屆全國大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽決賽中，張需明指導(dǎo)的學(xué)生項(xiàng)目，從來自清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、香港理工大學(xué)等105所高校的千余名學(xué)生帶來的213個(gè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目中脫穎而出，榮獲二等獎(jiǎng)，為節(jié)能減排貢獻(xiàn)了創(chuàng)新力量。

在對(duì)本科生的教學(xué)當(dāng)中，張需明延續(xù)了自己帶研究生的風(fēng)格，給予學(xué)生寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境。與此同時(shí)，面對(duì)物理學(xué)復(fù)雜的理論常常讓學(xué)生摸不清楚頭腦的狀況，張需明也在不斷改進(jìn)自己的教學(xué)方式和內(nèi)容，以生動(dòng)的案例和趣味性的講解引起學(xué)生的興趣。

作為應(yīng)用物理系的副主任、研究委員會(huì)主席，張需明對(duì)學(xué)科的發(fā)展、學(xué)生的就業(yè)前景十分關(guān)心。為此，他積極調(diào)整學(xué)科方向，以“既不能丟掉物理的根子，也要去面向社會(huì)的熱門應(yīng)用”為原則，開設(shè)了多門與社會(huì)需求緊密結(jié)合的課程，輻射物理、人工智能等新興領(lǐng)域通通被納入課程體系當(dāng)中。拓展學(xué)科邊界、盡量接近社會(huì)需求的同時(shí)，張需明還切實(shí)推動(dòng)學(xué)術(shù)交流，為研究生爭(zhēng)取出國交流的機(jī)會(huì)，并面向本科生舉辦各種線下、線上學(xué)術(shù)講座。在學(xué)術(shù)隊(duì)伍建設(shè)上，張需明大力扶持優(yōu)秀人才，從項(xiàng)目、資金、曝光度、學(xué)術(shù)合作等方面給予充分關(guān)懷。

雖然身處管理職位，但是張需明從來不認(rèn)為好的隊(duì)伍是“管”出來的，而應(yīng)啟發(fā)引導(dǎo)，創(chuàng)造自由開放的氛圍，提供充滿人性化的服務(wù)，幫助大家解決一些共性的問題。張需明相信，絕大部分人都會(huì)在自我驅(qū)動(dòng)中，盡情生長(zhǎng)。

（責(zé)編：王芳）