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走科技创新之路 引领新材料产业发展 ——记南京工业大学土木工程学院副教授任鑫

/傅双侨 王艳

 

随着材料科学的发展,现代技术对材料的特殊要求越来越多,常规物理、力学性质的材料已经不满足特定的要求,所以涌现出大量的智能材料。负泊松比材料是具有受拉胀或者受压收缩性质的一种材料,属于一种智能材料,是一种具有较高工程应用价值的功能材料。负泊松比结构以其特有物理性能,在纺织品、航空航天、军事装备、汽车结构设计、工程器械、医疗器械、减震和防冲击装置、传感器和智能过滤器等多个领域均得到应用,也因此吸引了越来越多的学者开展负泊松比材料的研究。

生于1988年的任鑫,现为南京工业大学土木工程学院副教授,硕士生导师。多年致力于负泊松比材料与结构的研究,并取得了一系列创新成果。依托学校资源,近年来主持了包括国家自然科学基金面上项目和青年项目、江苏省自然科学基金等多项重要项目,在负泊松比材料与结构的研究领域做出了积极工作和重要贡献。

 

投身研究 聚焦科研结硕果

2010年,任鑫毕业于安徽大学电子科学与技术学院,获得学士学位。随后到到中南大学交通运输与工程学院开始了研究生的学习。2014年至2017年,他在澳大利亚皇家墨尔本理工大学土木工程系,攻读博士学位并担任研究助理。2017年底,任鑫以海外高层次人才的形式加盟南京工业大学,2018年被评为南京市中青年拔尖人才。

“很感谢我的博导,澳大利亚工程院院士谢亿民教授的高瞻远瞩,为我选择了负泊松比材料与结构的研究方向,现在这一研究方向是极具研究前景的。”任鑫说道。

选择一行,就要热爱一行。在国外留学期间,任鑫在智能材料与结构领域的权威期刊Smart Materials and Structures上发表了两篇封面论文,其中一篇被评为2015年度精华论文。此后,在任鑫博士毕业的最后一年,他收到了该期刊发来的负泊松比材料与结构领域相关的综述邀稿,后来投稿并发表了一篇题为《Auxetic metamaterials and structures: a review》的综述论文,该文截止目前引用数已达到251次,被Smart Materials and Structures期刊评为该期刊见刊以来“阅读量前十”的论文(下载量超万次),同时也是一篇ESI高被引论文。

回国工作以后,任鑫在搜索中文文献的过程中发现,详尽地介绍负泊松比材料和结构的综述性文献比较少、发表年份比较久远。为此,他撰写了题为《负泊松比材料和结构的研究进展》的详尽中文综述论文,并在国内权威期刊《力学学报》上发表。不到两年的时间,该文下载量达到了2570余次。此外,任鑫在负泊松比材料和结构方面的研究成果也多次得到了国内外学术专家的认可。其中,中国力学学会理事长、北京理工大学副校长方岱宁院士曾在包括“中国力学大学·2019”、“第一届全国超材料大会”等多个主旨汇报中介绍了他的研究工作及成果。伍珀塔尔大学固体力学主席也大篇幅引述了任鑫的研究工作。与此同时,任鑫还申请国家自然科学基金,在连续申报的两个年度先后获批题为《三维金属负泊松比超材料设计及其力学性能研究》和《嵌合负泊松比泡沫的新型混凝土材料的设计及力学性能研究》的国家自然科学基金青年项目和面上项目。这两个都是关于“负泊松比”的项目先后立项,研究课题得到了评审专家们的充分认可。这更加坚定了任鑫继续开展负泊松比材料和结构研究的决心。 

千里之行,始于足下。作为“第一个吃螃蟹的人”,任鑫首次提出了用模态比例因子设计三维金属超材料的方法;成功将模态比例因子法推广到设计负泊松比管状结构;设计和制备了世界上首个能同时在压缩和拉伸下表现出负泊松比的管状结构;设计和制备了世界上首个具有负泊松比效应的钉子;设计和制备了首个能在大变形下表现出具有负泊松比并具有周期胞元的金属超材料。一路上的攻坚克难,任鑫用多项耀眼成果,妆点了自己的科研创新之路。

 

深耕科研 促进科研成果的推广与运用

作为被研究得最多的力学超材料之一,负泊松比超材料能表现出反常规的变形行为。在受到竖向压缩(拉伸)时,这些材料会横向收缩(扩张)。因其具有的特殊力学性能,负泊松比材料有着广阔的应用前景,如血管支架、传感器、过滤器、隔音器、能量吸收等。

针对影响负泊松比材料推广与应用所亟待解决的问题,为设计出力学性能更优的三维金属负泊松比超材料,任鑫带领团队开展了“三维金属负泊松比超材料设计及其力学性能研究”的国家自然科学基金青年项目研究。

项目还运用 3D 打印技术制备少量的三维金属超材料以验证有限元模型同时测试三维金属超材料的力学性能、特别是负泊松比变形性能的研究。据介绍,该项目的成功实施,将设计并制备出具有更大负泊松比效应和具有更大有效应变的三维金属负泊松比超材料,从而极大地促进负泊松比材料在吸能、防冲击、抗震等领域的推广与运用。

 

聚力学术研究创新 解决实际工程问题

混凝土具有造价经济、耐火性好和抗压强度高等特点,是建筑结构中应用最为广泛的一种材料。但混凝土的开裂问题一直是混凝土科学研究的难点和热点。混凝土开裂的原因有很多,如外部荷载、温度变化、收缩和冻胀等因素,其中外部荷载引起的裂缝是最为普遍的一种情况。混凝土具有较高的抗压强度但其抗拉强度通常不及抗压强度的十分之一,因此在受到拉应力时极易发生开裂。为了弥补混凝土材料的抗拉强度不足,实际工程中通常将钢筋和混凝土两种材料结合在一起共同工作。但钢筋本身易发生锈蚀,也会加剧混凝土裂缝的扩展,甚至导致混凝土保护层剥落,严重影响混凝土结构的耐久性。

任鑫说道:“每年结构的维护给国家带来了巨大的财政负担,对于关系国家命脉的重大工程,结构损伤导致的大型桥梁和建筑物垮塌将造成不可挽回的惨重损失。因此,研究能有效缓解混凝土开裂和剥落的方法具有极其重要的工程意义。”瞄准国家重大需求,任鑫迎难而上,长期坚持带领团队致力于负泊松比材料相关的学术研究创新,解决实际工程问题。

为解决现有混凝土材料易开裂、易剥落等问题,任鑫带领团队开展了“嵌合负泊松比泡沫的新型混凝土材料的设计及力学性能研究”国家自然科学基金面上项目的研究。

他介绍,负泊松比泡沫材料以其良好的抗剪切性、抗凹陷性、断裂韧性和疲劳耐久性等优点在诸多领域具有广泛的应用价值。混凝土中负泊松比材料的引入可以有效改善混凝土表面的应力分布和开裂现象。负泊松比材料具有良好的抗凹陷性能,受压时其附近区域的材料会迅速向受压区域聚集,有效减小材料的受压变形。在轴向受压的混凝土材料的侧向包裹负泊松比泡沫材料具有两方面的优势:一方面,混凝土材料在受压时会发生侧向膨胀,对包裹于外部的负泊松比泡沫材料会产生压力,使负泊松比材料向受压区聚集,可对混凝土的开裂起到约束作用;另一方面,可减轻由于混凝土开裂剥落产生的粉尘和颗粒物对环境的污染。      “通过负泊松比泡沫材料与混凝土材料的有机结合,设计和制备出一种耐久性高且节能环保的新型混凝土材料,将极大地促进新材料在土木工程中的应用与推广。”任鑫说。

 

注重学生科研素质与创新能力的培养

多年的科研工作经历,带给任鑫更多的思考,他不但埋下头来搞科研,还注意下一代的培养。作为一名硕博导师,任鑫目前指导15名研究生,与澳大利亚工程院院士谢亿民院士共同指导1名博士研究生和1名硕士研究生。此外,任鑫还指导多项大学生创新创业项目,获得了诸多荣誉。指导本科生参加江苏省大学生土木工程结构创新竞赛获“省级特等奖”;指导本科生和研究生组队参加第五届江苏省力学青年创新创业大赛获得了“省级二等奖”。

对于学生科研素养的培养,任鑫有自己的见解。在任鑫看来,对大学生科研素养的培养应该从大一新生开始。“从指导创新创业大赛的经验来看,我发觉大一新生刚入学,对于创新和科研很有想法。应从大一新生中选拔有想法、敢创新、热爱科研的学生重点培养。”任鑫说道。

与此同时,任鑫每周都给研究生开组会,同时也邀请参加创新创业大赛本科生一起参加。任鑫说:“大一新生没有科研的固定性思维,因此敢提问、爱提问、敢于表现自己,这样有利于富有创意的好想法产生。以科研为指引,让本科生参与组会当中,使得本科的课程不再只是理论,学生将科研项目和问题带到理论学习中,有利于本科生科研素养的培养。”

谈到创新,任鑫表示,自己常鼓励学生要学会“胡思乱想”,放开自己的思维。同时,他认为创新需要基础,因此引导学生了解行业领域的情况,了解行业发展的现实需求和存在的实际问题,建议学生通过广泛阅读,建立牢固的知识体系。此外,也应加强老师与学生跨学科的意识。任鑫表示,从目前来看,单一学科的基础性创新越来越难,但跨学科领域的创新相对简单一些。跨学科和多学科交叉的创新要求老师和学生具有更广的知识面、能打破旧有的传统学科的思维定式,因而需要老师和学生都具有极强的和可持续的学习能力,也就是终身学习的能力。作为教师更应该以身作则,增强持续不断的学习。

2020年,任鑫获得了“南工劝业杯”第五届江苏力学青年创新创业大赛“优秀指导教师”的殊荣。“荣获优秀指导教师是荣誉也是责任,未来,我会继续不忘初心,勤奋教学,深耕科研、带好团队,为国家和社会做出应有的贡献。”他表示。

 

【学者简介】

任鑫,男,19884月出生于湖南长沙,中国致公党党员,博士,副教授,硕士生导师。主要从事新型材料与结构、拓扑结构优化方面的研究。作为负责人共主持包括国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、江苏省自然科学基金项目、江苏省留学回国人员创新创业项目在内的纵向项目7项,作为主要研究人员共参与澳大利亚国家科学基金项目3项。已授权国家专利20项,申请国家专利30余项,PCT国际专利2项。曾担任第8届和第9届澳大利亚中国博士生及青年学者优秀论文报告会分会场主席、2014年澳大利亚皇家墨尔本理工大学研究生论文报告会口头会场主席。当选江苏省侨联青年委员会委员、澳大利亚维多利亚州皇家学会成员、南京浦口欧美同学会(南京浦口留学人员联谊会)秘书长、南京欧美同学会(南京留学人员联谊会)理事,并担任国家自然科学基金评审专家、兼任国际负泊松比材料和结构学术委员会委员(中国大陆唯一)。曾获得第2届澳大利亚计算力学大会“最佳论文奖”、2016年度Centre for Innovative Structures and Materials 的“杰出研究奖”、澳大利亚皇家墨尔本理工大学2017年度“研究影响力奖”、英国物理学会期刊2019年度“杰出审稿人”、南京欧美同学会2020年度“先进工作者”等荣誉。

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