2019提名国家自然科学奖项目-软材料与生物软组织的表面失稳力学研究

lengsousou

提名公示材料
项目名称        软材料与生物软组织的表面失稳力学研究
提名单位        教育部


提名意见
（不超过600字）        软物质力学是固体力学、生物力学的前沿研究领域，具有高难度与挑战性。该项目组历经十余年深入研究，在软材料表面失稳力学领域取得了原创性的重要进展，建立软材料与生物软组织表面失稳及其演化的力学理论与计算方法，揭示了一系列基本规律，发现了一些新的物理现象，拓展了固体力学与生物力学的基本理论和研究方法，为柔性器件与结构设计、材料表面性能调控、力学性质测量等提供了理论基础，对软组织病变（如癌症、炎症）的诊疗具有参考价值。
该项目组的8篇代表作均发表在力学、物理等领域的著名期刊，包括《Phys. Rev. Lett.》（封面论文）、《J. Mech. Phys. Solids》、《Soft Matter》等，其中ESI高被引论文2篇，已被SCI 他引782次。此外，该项目的系列成果还发表其他SCI论文49篇，其中包括《J. Mech. Phys. Solids》（8篇）、《Soft Matter》（7篇）等。该项目所发展的理论与方法得到了国际学术界的广泛认同，被同行学者应用于生物组织（如脑、肿瘤等）、生物材料、水凝胶、智能材料等的研究。申请人获得国家杰出青年基金、中国青年科技奖、长江学者特聘教授等奖励。此外，通过该项目，也培养了多位优秀青年教师，有青年##计划入选者1人、全国优秀博士学位论文获得者1人和中国力学学会优秀博士学位论文获得者1人。
对照国家自然科学奖授奖条件，我部决定提名该项目为2019年度自然科学奖二等奖。


项目简介        该项目属于固体力学、生物力学的前沿基础研究领域。
生物医学工程、柔性电子、功能材料与器件、软体机器人等前沿技术的发展对软材料表面失稳研究提出了迫切需求。软材料表面失稳力学面临的挑战性难题在于其失稳模式、形貌演化与驱动机制复杂多样，涉及大变形、多级次分岔、强非线性等，而且生物软组织中力学–生物学因素的耦合机制尚不清楚。该项目经过十余年系统研究，建立了软材料与生物软组织的变形稳定性力学理论与计算方法，发现了表面失稳与演化的多种新现象与新规律，揭示了宏、微观尺度上表面失稳的物理新机制，对软材料力学、稳定性理论做出了原创性贡献。主要发现点如下：
1. 建立了力–生物学耦合的软组织生长与变形稳定性新理论，提出了表面形貌演化的伪动力学数值模拟方法。克服了强非线性、大变形、多重分岔等难题，给出了肿瘤、脑组织、食道等软组织出现双周期、折痕等表面形貌的临界条件，发现了巴基球失稳等新现象与新机理；揭示出力学与生物学因素（如基因）在软组织形态演化中的耦合作用机制，预测出在不同生理、病理条件下的形貌变化规律，对于多种疾病的临床诊疗有重要价值。
2. 发现了软材料与生物材料的螺旋手性形貌形成新机制，建立了相应的多尺度力学模型。实验发现并确定了高分子枝晶形成螺旋形貌的表面效应机制，提出了纳米线等一维材料形成双螺旋结构的自发失稳新机制，建立了生物材料手性形貌传递的多尺度力学模型以及含螺旋状纤维的细观力学模型。
3. 建立了软材料表面失稳的力学新理论与计算新方法，实现了具有几何大变形、本构非线性、多级次分岔等复杂特征的表面失稳理论分析与数值模拟。发现了在平面、曲面构型下表面失稳的多种新现象，揭示出折痕、脊凸、钻石状等形貌的形成条件与机理。对于折痕失稳，著名力学家Biot在50年前给出的经典解与实验明显不符，该项目澄清了其误差根源，并首次给出了高精度解。提出了在曲面薄膜上制备微纳米形貌的电致失稳方法。该发现点在多级微纳米表面结构制备、力学性能表征等领域得到应用。
该项目在国际上出版第一本《软材料表面失稳力学》专著，发表SCI论文57篇，其中《J. Mech. Phys. Solids》9篇、《Soft Matter》9篇、《PRL》封面论文1篇。8篇代表作被《Nat. Mater.》《PNAS》等SCI他引782次，其中ESI高被引论文2篇，单篇最高SCI他引286次。所发展的理论与方法被中、美、英、法等40多个国家的学者应用于脑组织、皮肤、水凝胶、柔性电子、仿生材料、食品包装等多个领域。
该项目培养全国优秀博士论文获得者2人。申请人获中国青年科技奖、长江学者、杰青等奖励，担任《Eng. Mech. Fract.》《Int. J. Damage Mech.》主编以及《Appl. Phys. Lett.》等10种SCI期刊副主编或编委，做大会邀请报告28次。
       
客观评价       
（一）该项目研究成果处于国际前沿，得到了学术界的广泛认可
该项目在研究过程中共发表SCI论文57篇，其中多篇论文发表在《PRL》1篇（封面论文）、《JMPS》9篇、《Soft Matter》9篇、《Appl. Phys. Lett.》5篇、《Int. J. Solids Struct.》2篇、《Proc. R. Soc. A》3篇等力学、物理学等领域的著名期刊。其中8篇代表作被《Nat. Mater.》《Nat. Nanotech.》《PNAS》《PRL》等期刊SCI 他引782次，单篇最高他引286次，2篇代表性论文（代表作2、3）入选ESI高被引论文。项目成果得到了美国、英国、法国、德国、加拿大、澳大利亚、日本、中国等40多个国家的学者的广泛引用和积极评价，所建立的理论与方法被国内外同行采用或作为其研究的基础，应用于脑组织、肿瘤、皮肤、水凝胶、介电弹性体、柔性电子、仿生材料等的研究。
（二）该项目研究成果得到了学术界的高度评价，产生了广泛影响，部分引用与评价如下：
针对发现点1：
1.        《JMPS》副主编、斯坦福大学E. Kuhl教授在研究脑组织失稳的文章（JMPS, 2013, 61:1446–1463）中，全文8次引述该项目4篇相关论文，例如：“最近的研究证实粘膜的表面形貌与粘膜里、外层间的厚度比密切相关，在粘膜层较薄的气管内壁产生较多的折叠，而在粘膜层较厚的食道内壁则出现较少的折叠（Li et al., 2011, 代表作2）”；“最近的一篇优秀综述性文章（an excellent recent overview article）展现了形貌失稳的诸种现象及其在软平版印刷术、测量学、柔性电子等生命系统之外的应用（Li et al., 2012, 代表作3）。”
2.        法国国家级最高荣誉“军团骑士勋章”获得者、巴黎高等师范学院M. Ben Amar教授等在其研究工作中（JMPS, 2012,60:525–537），采用了该项目所发展的理论与计算方法，引述：“增量弹性变形方法已被用来分析管腔结构器官内壁的粘膜折叠（Li et al.,2011a, J. Biomech.,44:182–188）”，并评价该项目代表作2“是为数极少的揭示几何参数与组织弹性如何协同作用并决定系统表面失稳临界条件和形貌波长的工作（…Li et al., 2011b, 代表作2）。”
3.        美国麻省理工学院J. Dunkel教授等在《Nat. Mater.》（2015, 14: 337–342）发表关于核壳结构表面形貌失稳的研究工作, 他们在文中三次引述该项目的研究工作，指出：“最近的实验与模拟工作表明失稳形貌强烈依赖于载荷与基底曲率…27。”这里，参考文献27为该项目的代表作1。
4.        美国工程院院士、哈佛大学Z. Suo教授在其文章《EPL》（2011, 95:64002）中，引用该项目代表作2与该项目另外一篇论文《J. Biomech.》（2011, 44:182–188），基于该项目的实验发现与理论模型，进行了后续研究，探讨了管腔结构器官内壁粘膜的受限生长与失稳。
5.        美国佐治亚大学X.Q. Wang教授在研究管腔器官内壁失稳的文章中（Phys. Rev. E, 2016, 94:022405），直接采用代表作2所提出的理论方法，分析了粘膜表面体积生长产生的应力场和表面失稳的临界条件，全文累计14次引用该项目4篇代表作（代表作1~3、7），并引用了代表作2中的实验图片作为他们的模型图。
针对发现点2：
6.        澳大利亚皇家化学学会最高奖—“应用研究奖章”获得者、《Silicon Sci.》期刊创始人、主编J. Matisons在化学顶级期刊《Chem. Rev.》（2014, 114: 10217–10291）（IF=53）的文章中引用了该项目的相关研究成果（代表作8），引语为：“事实上，有理论证据表明，纳米结构（例如纳米带）在完全忽略其他化学和物理因素的情况下，能够仅由各向异性的表面力驱动产生螺旋形貌212。”这里，参考文献212为本申请书的代表作4。
7.        《Int. J. Mech. Mater. Design》创刊主编、加拿大多伦多大学S. A. Meguid教授在文章《Comp. Mater. Sci.》（2016,117:195–204）中，重点评价该项目的成果：“Shi等（代表作5）是第一个采用细观力学从理论上研究碳纳米管波纹状弯曲与团聚对碳纳米管-聚合物弹性性质影响的研究组。”
8.        西班牙塞维利亚大学F. Ubertini教授研究组在文章《Composites B》（2017, 108: 451–469）中，利用该项目所提出的理论模型，研究了螺旋/弯曲碳纳米管对复合材料力学性能的影响，重点引述：“本文采用Shi等[63]为了对碳纳米管增强的高分子进行力学表征而提出的双参数团聚模型，以模拟非均匀分布的多壁碳纳米管增强的水泥复合材料的传导性。”这里，文献[63]为该项目的代表作5。
针对发现点3：
9.        德国莱布尼兹聚合物研究所L. Ionov教授在《J. Mater. Chem.》文章中重点引述该项目的研究成果：“第一次和第二次分岔所产生的拓扑形貌，可以通过改变结构的几何和力学性质来进行调控（图4左）38”，“另一个实验表明，随着变形增加，圆球第一次屈曲出现巴基球状的皱纹形貌，然后经历皱纹到折叠的转化，形成迷宫状的形貌，在这个转变过程中，第一次屈曲形成的多边形发生动态移动、旋转、融合41。”文中（图4左）直接引用了该项目代表作5中的原图。这里，参考文献38、41分别为该项目的代表作7、1。
10.        复旦大学徐凡教授F. Xu和法国洛林大学M. Potier-Ferry教授在其《JMPS》论文（2016,94:68–87）中，引述该项目的相关研究成果：“对于受压缩的核壳结构，当外壳远比内核硬时，由于曲率的影响，表面起皱会沿环向和轴向同时发生，形成非轴对称的钻石失稳形貌（Zhao et al., 2014, 2014, 73: 212–227)，这不同于平面膜基系统中的条纹失稳形貌。”他们引用该项目的实验结果验证了其数值模拟结果的可靠性。
11.        美国机械工程学会会士、弗吉尼亚理工学院D. A. Dillard教授等研究了受限弹性软层的脱粘问题，他们在文章《Int. J. Adhesion Adhesives》（2016, 66: 114–127）中重点引述了该项目相关研究成果：“受Huang等（代表作6）的工作启发（Motivated by the work of Huang et al…），我们推测三维情况下，波纹状失稳脱粘的临界条件保持不变。”


代表性论文专著目录
序号        论文专著名称/刊名/作者        年卷页码        发表时间        通讯作者        第一作者        国内作者        SCI他引次数        他引总次数        论文署名单位是否包含国外单位
1        Surface wrinkling patterns on a core–shell soft sphere/ Physical Review Letters/ Li B., Jia F., Cao Y. P., Feng X. Q., Gao H.        2011, 106: 234301        2011-06-10        冯西桥        李博        李博，贾飞，曹艳平，冯西桥        74        81        是
2        Surface wrinkling of mucosa induced by volumetric growth: theory, simulation and experiment/ Journal of the Mechanics and Physics of Solids/ Li B., Cao Y. P., Feng X. Q., Gao H.        2011, 59: 758–774        2011-04-30        冯西桥        李博        李博，曹艳平，冯西桥        72        77        是
3        Mechanics of morphological instabilities and surface wrinkling in soft materials: a review/ Soft Matter/ Li B., Cao Y. P., Feng X. Q., Gao H.        2012, 8: 5728–5745        2012-03-06        冯西桥        李博        李博，曹艳平，冯西桥        240        263        是
4        Twisting of nanowires induced by anisotropic surface stresses/ Applied Physics Letters/ Wang J. S., Feng X. Q., Wang G. F., Yu S. W.        2008, 92: 191901        2008-05-12        冯西桥        王建山        王建山，冯西桥，王刚锋，余寿文        24        29        否
5        The effect of nanotube waviness and agglomeration on the elastic property of carbon nanotube-reinforced composites/ Journal of Engineering Materials and Technology, Transactions of the ASME/ Shi D. L., Feng X. Q., Huang, Y. G., Hwang K. C., Gao H. J.        2004, 126: 250-257        2004-07-01                施冬莉        施冬莉，冯西桥，黄克智        286        369        是
6        Pattern instability of a soft elastic thin film under van der Waals forces/ Mechanics of Materials/ Huang S. Q., Li Q. Y., Feng X. Q., Yu S. W.        2006, 38: 88-99        2006-02-28        冯西桥        黄世清        黄世清，李群仰，冯西桥，余寿文        24        25        否
7        Surface wrinkling and folding of core-shell soft cylinders/ Soft Matter/ Cao Y. P., Li B., Feng X. Q.        2012, 8: 556–562        2011-11-01        冯西桥        曹艳平        曹艳平，李博，冯西桥        29        29        否
8        Surface effects in various bending-based test methods for measuring the elastic property of nanowires/ Nanotechnology/ Zheng X. P., Cao Y. P, Li B., Feng X. Q., Wang G. F.        2010, 21: 205702        2010-04-23        冯西桥        郑修鹏        郑修鹏，曹艳平，李博，冯西桥，王刚锋        33        36        否
合计                782        909       
主要完成人情况        姓名：冯西桥
排名：第1
技术职称：教授
工作单位：清华大学
完成单位：清华大学
主要贡献：是该项目负责人和主要完成人，自2002年起，系统开展软材料失稳力学的理论、计算和实验研究，是7篇代表性作1～4、6～8的通讯作者、主要学术思想提出者。其贡献主要包括：(1) 提出理论模型与实验方案，揭示在不同构型与激励下软材料表面失稳的条件、特征与机制；(2) 建立生物软组织表面失稳力学的理论框架与数值模拟方法；(3) 提出微纳米材料形貌失稳的表界面力学模型；(4) 指导了约10名研究生和博士后从事该项目的研究，在软材料稳定性方面发表SCI论文约50篇、专著1部，所指导的研究生李博获2013年全国优秀博士学位论文奖、赵子龙获2017年中国力学学会优秀博士学位论文奖。冯西桥在该项研究工作中占工作总量的70%。
曾获奖情况：无。


姓名：曹艳平
排名：第2
技术职称：教授
工作单位：清华大学
完成单位：清华大学
主要贡献：自2008年回国参加该项目的研究。是代表作7主要学术思想提出者与完成人，对发现点1、3做出了主要贡献，包括：(1) 发展了软材料表面失稳与形貌演化的力学理论与计算方法；(2) 揭示了薄膜-基底系统中表面曲率、几何缺陷、薄膜尺寸等因素对失稳临界条件、形貌选择与演化的影响规律；(3) 发展了基于屈曲形貌测量纤维和薄膜力学性质的实验方法。曹艳平在该项研究工作中占工作总量的70%。
曾获奖情况：无。


姓名：李博
排名：第3
技术职称：副教授
工作单位：清华大学
完成单位：清华大学
主要贡献：自2007年在清华大学攻读博士学位论文起参加该项目的研究。是代表作1、2、3主要完成人，对发现点1、3做出了主要贡献，包括：(1)建立和完善了生物软组织生长与形貌演化的理论，完成了软组织粘膜、核壳结构等表面失稳的理论分析、计算和实验；(2) 提出了微尺度下软材料薄膜自发失稳的一般性理论框架，获得了典型几何构型软材料失稳的解析解。博士论文“软物质材料表面失稳研究”获2013年全国优秀博士学位论文奖。李博在该项研究工作中占工作总量的80%。
曾获奖情况：无。


姓名：王建山
排名：第4
技术职称：副教授
工作单位：天津大学
完成单位：清华大学
主要贡献：自2007年在清华大学做博士后起参加该项目的研究。是代表作4的主要完成人，对发现点2做出了主要贡献，包括：(1) 揭示了高分子枝晶螺旋形貌的形成机理，得到了相应的解析解；(2) 建立了生物材料手性失稳、手性形貌传递的多尺度力学模型。王建山在该项研究工作中占工作总量的80%。
曾获奖情况：无。


姓名：黄世清
排名：第5
技术职称：副教授
工作单位：暨南大学
完成单位：清华大学
主要贡献：在清华大学攻读博士学位论文期间（2002.09～2008.01）参加该项目的研究。是代表作6的主要完成人，对发现点3做出了主要贡献，包括：(1) 建立了微尺度作用力下软材料表面失稳的三维模型，得到了失稳临界条件与失稳形貌的标度律；(2) 揭示了高分子软膜自发失稳的机理。黄世清在该项研究工作中占工作总量的80%。
曾获奖情况：无。


完成人合作关系说明        该项目由清华大学冯西桥教授研究团队完成，取得了重要原创性研究成果。
1）该项目完成过程中，第 1完成人冯西桥作为项目负责人主持项目研究，作为主要完成人参与该项目工作，是7篇代表性论文1～4、6～8的通讯作者，是项目中所列8篇代表性论文的共同作者。
2）该项目五位完成人在项目执行过程中，总结研究成果并共同发表了项目中列出的8篇代表性论文。
3）项目完成人曹艳平自2008年回国参加该项目研究团队，是代表性论文7的第一作者，同时是代表性论文1、2、3、8的共同作者。
4）项目完成人李博自2007年攻读博士学位论文（导师：冯西桥）起，在冯西桥团队参加该项目的研究，是代表性论文1、2、3的第一作者，同时是代表性论文7、8的共同作者。
5）项目完成人王建山自2007年在清华大学做博士后（合作导师：冯西桥）起参加该项目的研究，是代表性论文4的第一作者。
6）项目完成人黄世清于2002.09～2008.01在清华大学攻读博士学位论文（导师：冯西桥）期间在冯西桥团队参加该项目的研究，是代表性论文6的第一作者。