走实用之路 听创新凯歌——记哈尔滨工业大学机电工程学院教授潘昀路

范佳乐

潘昀路在实验室里做实验

众所周知，石油泄漏事故非常可怕，它不仅会造成大量的经济损失，还会严重污染环境，威胁生物安全。可以说，石油每泄漏一滴，环境就恶化一步。虽然，石油泄漏事件在近些年才被媒体重点关注到，但实际上每年都有多达千万公升的石油通过油轮泄露、海上石油钻探操作泄漏等各种方式涌入大海。而如何用科技手段将泄漏的石油从海水中回收就是哈尔滨工业大学机电工程学院教授潘昀路最初瞄准的方向，这就需要发展高效的油水分离技术。

潘昀路表示，虽然一开始从事油水分离领域的研究是为了服务原油开采，但是他在研究过程中发现，多个环境保护领域对油水分离技术的需求也越来越大。2018年，潘昀路和他所在的团队在油水分离方面取得新突破，成果发表以后，吸引了上百家企业前来寻求合作。这一方面体现了油水分离技术的实用性，另一方面也增强了潘昀路团队的信心。接下来，他们将重点推进技术的升级和落地，使科研成果真正服务到实际生产当中。

做扎根社会需求的科研

潘昀路整个学生生涯几乎都是在哈尔滨工业大学度过的，他本科学习的是测控技术与仪器专业，到博士阶段，转到了机械电子工程专业。虽然是不同的两个专业，但他的关注点却没什么大的变化，始终围绕测量与控制进行学习与研究。

潘昀路对微纳测量研究的关注始于博士期间，但真正确定研究方向却是在博士毕业之后。2010年到2012年，在中国国家留学基金委公派留学计划的支持下，潘昀路前往美国俄亥俄州立大学做访问研究。然而，通过在俄亥俄州立大学的学习，他意识到美国很多研究其实并不注重实际应用，这让机械工程背景的潘昀路感到十分不踏实，他还是希望自己的研究方向能够真正有一个很强的实际应用，能真正解决社会的重大需求。于是，再三考虑之下，他调整了自己的研究方向。

研究方向的任何一点微调都是十分冒险的，这表示潘昀路要做好未来很长时间内都可能做不出好成果的准备。实际上，博士毕业后的两年内，潘昀路确实度过了一段很艰难的时期，直到2017年，他所做的研究工作才初见成效。

2018年，潘昀路和团队在利用选择润湿性功能材料实现油水分离和液滴可控驱动方面取得新进展，团队通过构造一种特殊的微纳复合结构，突破了传统表面能理论的限制，制备出一种完全不沾油却同时完全亲水的超浸润功能涂层。将这种涂层涂覆在网状基底上即可实现“阻油通水”式的油水分离，彻底解决了“阻水通油”式过滤存在的问题。

这一成果拥有非常广阔的应用前景，特别是在工业污水处理、原油开采和海洋油污回收等方面具有非常重要的实用价值。潘昀路团队还做了一系列的实验，验证了理论的有效性。成果作为封底文章发表在《先进功能材料》后，引起了广泛关注，并得到了很多业内专家、学者的认可。

突破油水分离的困局

油水分离技术始终是世界科技前沿的热点与难点。传统的油水分离技术在许多方面存在严重缺陷，例如能耗大，效率低，核心材料的机械、化学耐久性差，易被油污染导致失效等。而至今在全球范围内还没有革新性的油水分离技术。

过滤式分离效率高、能耗低，被认为是油水分离技术发展的方向之一。虽然潘昀路团队在前期工作中已经实现了超疏油性和超亲水性的结合，但超疏油超亲水表面的制备与应用仍存在较大缺陷，而制备方法较为成熟的超双疏表面却难以直接用于油水分离。因此，潘昀路承担了国家自然科学基金的面上项目“耐久超双疏表面特殊润湿性转化及其在油水分离中的应用研究”。这一项目致力于研究超双疏表面转化为特殊的水下超疏油性和油下超疏水性的机理与方法，进而实现基于超双疏网膜的高效、全流程抗油的油水分离；同时通过改进表面处理工艺，提高超双疏表面的机械和化学耐久性。最后，利用提出的耐久超双疏网膜油水分离技术，实现“水中捞油”，探索海洋油污处理的新方向。

“超双疏既疏油又疏水，表面的化学稳定性特别好，它在任何环境中都没问题。正常来说，它是不能应用在油水分离中的，因为既不沾油，也不沾水。但是，我们现在做的工作就是怎样把超双疏运用到油水分离领域。”目前，潘昀路团队在这方面的研究已经有所进展，他们研制了两种表面材料，发明了“通油阻水”和“通水阻油”两种油水分离方法，目前这两项成果已经申请了发明专利。

虽然理论上的问题已经解决了七七八八，但是从理论到技术应用再到产业化，还需要很长的一段路要走。潘昀路表示，除了油水分离的相关研究，他们也正在进行一些其他类型的尝试以满足不同行业或企业的需求。

为生命筑起一道防线

近些年，石墨烯生物传感器在个人健康、医疗检测设备、可穿戴和植入式检测器件等应用领域展现出了巨大的潜力。然而，人体分泌液中含有大量的杂质与非目标分子，该类分子在石墨烯表面的生物淤积使得核酸适配体-石墨烯场效应管表面亲和型传感器难以在其中准确检测蛋白分子，且由于对石墨烯表面修饰方法的不可逆性，目前报道的石墨烯传感器多为一次性使用产品，对传感器的检测性能和商业化生产造成了重大影响。

2020年，潘昀路团队在生物传感技术方面取得了新的突破，他们利用功能化的敏感表面，实现了对血液中心肌梗死标记蛋白质的快速检测，为进一步为心梗病人争取黄金时间提供了新的可能。

潘昀路团队提出的通过化学修饰与物理沉降等方法在石墨烯表面构建可溶解的聚合物纳米隔离层，在有效防止生物淤积的同时使传感器具有可多次重复使用的能力。此外，团队还提出了施加调节电场的方法，简单且有效地提升了核酸适配体在石墨烯表面的修饰密度，进而增强了单位表面积响应激励，提升了传感器检测极限。通过实验与理论分析，团队得到了相应的参数定量关系理论模型，并在血清、唾液、汗液和尿液等人体分泌液中蛋白分子的检测实验中验证了上述相应方法的可行性，为核酸适配体-石墨烯场效应管表面亲和型传感器未来的临床实际应用铺平了道路。

课题组合影

心肌梗死的早期诊断对提高病患的生存率有着十分积极的作用，但是现有检测手段通常需要在医院进行专业操作。除此之外，新冠病毒的检测也基本依赖核酸检测，不但检测时间长、体验差，且筛查成本高。柳叶刀上的一项研究表面，新冠肺炎患者无论是轻症还是重症都伴随着体液中细胞因子浓度的提升。潘昀路团队开发的核酸适配体-石墨烯场效应管生物传感器可以实现对心梗标记蛋白浓度的快速检测，可以实现对细胞因子浓度的快速检测，进而可实现对心梗、新冠肺炎等疾病的快速筛查。目前，相关研究已准备开展临床实验，团队正在为推动其走向临床一线而不懈努力。

身为高校教授，教学工作是立身之本。目前，潘昀路不但承担了所在单位的本科生教学管理任务，还负责研究生的指导和管理工作。在教学工作中，潘昀路遵循因材施教的原则，根据不同阶段的学生采取不同的教学方法。对于本科生，他注重加强他们的理论基础；对于硕士生，他注重培养他们解决问题的能力；而对于博士生，他更乐意将自己放在“工作伙伴”的位置上。在他看来，博士生已经有能力把握研究内容，在这其中他只需给予方向性的指导和一些关键节点上的建议。

无论是科研工作，还是教学工作，潘昀路都还有很长的路要走，但对于未来要走的路，他有着清晰的规划。目前，他的油水分离技术和二维材料传感器两项研究工作齐头并进，他表示，两项工作下一步的重点都是促进成果真正实现落地，扎根到实际生产当中，为中国的经济建设贡献力量，为哈尔滨工业大学新百年的建设增添色彩。