导师推介-工程科学学院专题 | 吴恒安 “力学：从纳米到宏观，从材料到结构”

个人简介

吴恒安，中国科学技术大学工程科学学院近代力学系，教授，博士生导师，工程科学学院执行院长（2019年7月-）。1975年7月出生于湖北省黄冈市红安县，1997年7月获得中国科学技术大学理论与应用力学学士学位，1998年7月获得中国科学技术大学计算机软件学士学位（双），2002年6月获得中国科学技术大学固体力学博士学位，同年获中国科学院院长奖。2002年8月-2004年2月在新加坡国立大学机械工程系任博士后研究员，2004年2月任中国科学技术大学工程科学学院近代力学系副教授，2010年6月晋升教授。2014年9月-2019年7月任工程科学学院副院长（教学），2017年9月-2019年6月任研究生院副院长（挂职），2015年7月-2020年5月任中国科学院材料力学行为和设计重点实验室主任。

曾获得2014年度中国科学技术大学杰出研究校长奖、2015年度国家杰出青年科学基金、2017年度中国科学院朱李月华优秀教师奖、2017年度安徽省教学成果特等奖、2017年度和2018年度中国科学院优秀导师奖、2018年度高等教育国家级教学成果二等奖，入选2015年度科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、2017年度第三批国家“万人计划”科技创新领军人才、2018年度安徽省教学名师。主讲本科生<<材料力学>>和<<计算力学基础>>（省级精品课程）课程。已在Science和Nature等学术期刊发表被SCI收录论文150余篇，被SCI他引6000余次。

研究方向

1、微纳结构材料力学行为和设计

材料设计逐渐突破连续介质体系假设，传统力学研究已无法单独构建材料从微纳尺度到宏观尺度的理论框架，从而面临多学科领域交叉涌现的更多共性难题。该研究方向着重面向微纳米力学与材料科学前沿的交叉研究，着眼于有序微结构对材料宏观性能优化增强的作用规律以及材料组分与微纳结构的协同关联效应，旨在通过多尺度理论模拟结合实验表征揭示微纳结构材料优异性能的微观力学机理，从微观尺度预测材料的宏观力学行为，揭示材料力学行为与应用功能性之间的内在关联，从而最终实现基于应用需求导向的材料微结构力学设计。

结合分子动力学模拟和理论分析研究了节点体积、弯曲效应和表面效应对纳米线超晶格构造材料力学性能的影响，并发现纳米线构造材料具有轻质高强的特性，这意味着纳米尺度的超晶格构造材料可以通过调控其微结构同时实现超高强度和低密度来到达构造材料力学性能的新边界。

针对石墨烯基仿贝壳材料，通过引入界面强非共价键相互作用的概念，修正剪滞模型并耦合界面滑移和结构稳定性来表征砖块基元拔出过程的增韧效果，并由此提出新标度律作为评价仿贝壳材料内部非弹性变形与宏观力学性能之间关系的准则，揭示了层间强非共价作用可以同时优化强度和韧性的微观力学机理。

1. Optimization design on simultaneously strengthening and toughening graphene-based nacre-like materials through noncovalent interaction. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2019. 133: p. 103706.
2. Delamination of a rigid punch from an elastic substrate under normal and shear forces. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2019. 122: p. 141-160.
3. Mechanical properties of copper octet-truss nanolattices. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2017. 101: p. 133-149.
4. Super-elastic and fatigue resistant carbon material with lamellar multi-arch microstructure. Nature Communications, 2016. 7: p. 12920.
5. Proton transport through one-atom-thick crystals. Nature, 2014. 516(7530): p. 227-230.

2、固液界面力学与限域传质

固液界面力学与限域传质问题不仅在自然界和人们日常生活中无处不在，而且在前沿基础科学和交叉学科研究中占据举足轻重的地位。微纳尺度固液界面力学研究涵盖内容广泛：润湿和毛细现象及其力学机制的研究经久不衰；液滴的操控及其动力学行为是当今微纳流体技术的重要发展方向之一；移动接触线、液滴蒸发、限域传质等关键科学问题近年来不断引领基础理论研究取得新的突破。当纳米通道尺寸小至分子级别时，通道的表面性质及固液界面相互作用会对限域传质起决定性作用。相关研究不仅对纳米尺度下流体输运机理的理解和认知产生重大影响，而且能为新型纳米流体器件的设计和开发提供理论支撑。

从微观上深入剖析了界面张力的物理意义并对其进行分解，找到了一种新的方法来定量描述固液气三相接触线处的毛细力，进一步明确了该毛细力与界面张力之间的关联。在此基础上，建立了描述液滴接触线处毛细力平衡的理论模型，并给出了杨氏方程的力学解释。

研究揭示了固液界面微观力学作用对限域传质具有决定性影响，利用石墨烯等二维材料精确构筑的纳米通道内流体输运呈现出跟宏观尺度截然不同的尺寸效应。从理论上发现受限在石墨烯毛细通道内的水会形成规则的二维方形冰结构，这是常温下水的一种全新存在形式（研究成果被Nature网站以首页头条新闻报道）。

1. Microscopic origin of capillary force balance at contact line. Physical Review Letters, 2020. 124(12): p. 125502.
2. Molecular transport through capillaries made with atomic-scale precision. Nature, 2016. 538(7624): p. 222-225.
3. Square ice in graphene nanocapillaries. Nature, 2015. 519(7544): p. 443-445.
4. Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes. Science, 2014. 343(6172): p. 752-754.
5. Unimpeded permeation of water through helium-leak-tight graphene-based membranes. Science, 2012. 335(6067): p. 442-444.

3、计算力学方法及应用

计算力学方法是连接技术科学与工程应用的桥梁，为实现复杂结构体系的数字化试验和迭代设计提供了具有战略意义的智能化软装备，是解决重大工程领域卡脖子问题的重要手段。该研究方向具体面向石油工程水力压裂、航空轮胎数字化设计和复杂系统工程结构优化等国家重大需求，凝练相关行业实际应用中的力学问题，发展先进数值方法，致力于解决复杂条件下多物理场多过程中的工程科学难题，本课题组也发展具有自主知识产权的程序和软件，为国家重大战略需求和国民经济主战场服务。

提出了人工裂缝与天然裂缝及储隔层弱界面相交的数值模拟方案，发现了天然裂缝分布特征、地层非均质性和地应力等因素对缝网形成的作用机制。进一步揭示了水平井多缝压裂缝间应力干扰所引起裂缝偏转和闭合规律，并通过调控压裂排量和缝间距等施工参数，实现了对裂缝形态的控制和优化。

建立了考虑流固耦合作用的等壁厚螺杆泵三维动力学模型，模拟得到了不同型号螺杆泵的容积效率和负载扭矩，均和现场试验数据吻合得较好。基于此模型，系统地研究了等壁厚定子螺杆泵的温溶胀、非均匀温升、水力特性和脱胶机理等关键工程技术问题，并给出了相应优化方案。

1. Production analysis in shale gas reservoirs based on fracturing-enhanced permeability areas. Science China: Physics, Mechanics & Astronomy, 2019. 62: p. 104611.
2. Multiscale modeling and theoretical prediction for the thermal conductivity of porous plain-woven carbonized silica/phenolic composites. Composite Structures, 2019. 215: p. 278-288.
3. Numerical investigation on the critical factors in successfully creating fracture network in heterogeneous shale reservoirs. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2018. 59: p. 427-439.
4. An XFEM-based numerical model to calculate conductivity of propped fracture considering proppant transport, embedment and crushing. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2018. 167: p. 615-626.
5. An XFEM-based method with reduction technique for modeling hydraulic fracture propagation in formations containing frictional natural fractures. Engineering Fracture Mechanics, 2017. 173: p. 64-90.

人才培养

本课题组注重“立德树人”和“全方位育人”，尊重学生兴趣志向，激发学生潜能，为每个学生量身打造培养方案。已培养博士毕业生14人，硕士毕业生11人，本科毕业生30余人。其中本科毕业生获郭沫若奖学金7人次，多人赴美国加州大学伯克利分校、布朗大学、康奈尔大学、瑞士苏黎世理工学院、日本东京大学等世界顶尖大学攻读博士学位。博士毕业生获中科院院长特别奖1人次，中科院院长奖2人次，中科院优博2人次，1名博士后获人社部“博士后创新人才支持计划”。近五年来，在读研究生获国家奖学金11人次。硕博士研究生主要毕业去向包括：英国曼彻斯特大学，美国科罗拉多大学，香港科技大学，中国工程物理研究院，中国商用飞机有限责任公司，中天科技集团等国内外知名高校、科研院所和上市公司。