1月24日，由我系徐凡教授课题组独立完成的关于水（液体基底）对植物叶片生长形貌演化影响的研究成果以封面文章(Cover)发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters, 124, 038003)上。该文章被PRL选为封面文章(Cover)，编辑推荐(Editors' Suggestion)，被《自然》(Nature)作为研究亮点(Research Highlights)报道，同时也被美国物理学会Physics网站、Physics Buzz专题评论报道。该研究得到了国家自然科学基金委、上海市科委和上海市教委等的资助。
图1. PRL封面报道徐凡教授团队研究成果
在池塘里栽种的荷花，有如果你仔细观察荷塘，会发现一个有趣的现象，漂浮在水面的荷叶较为平整又平又圆，褶边通常为短波，而在同一株植物的同一茎干上，茎干上托着的远离出水面的荷叶通常呈现为弯曲的锥形，叶边褶皱波长较大。也就是说基因相同的叶子可以生长成明显不同的形状。但是那么如何理解模拟和预测研究荷叶这种植物软组织的生长呢？由于难以用数学描述这些结构的生长和形变模式，这对科学家来说是个挑战，因为这些结构发生形变的方式难以用数学描述。
图2. 在水面上漂浮的荷叶通常会出现短波褶边（左），在水面之上的荷叶则为整体弯曲的锥形且出现长波褶边（右）。
2018年，我系徐凡教授在散步时观察到校园荷塘的池塘里看到了几个不同形状的荷叶，注意到了叶片形貌不同的现象中的荷叶有不同的形状，这也促使他开始研究各种内外因素液体基地对叶片子生长形貌的生长演变的影响。徐凡教授团队创新造性地建立扩展了一种关于薄膜而有弹性的组织各向异性生长理论，从力学角度对薄膜组织生长给出了更了更加完善整的描述，并且利用该理论它准确地预测了各种一系列复杂的叶子的生长形貌状。同时针对以往研究人员难以解决的强非线性微分方程组，徐教授团队发展使用了更加先进专业的数值模拟求解技术，使他们解决了以高效稳健的预测强非线性问题中的多重解以往研究人员难以解决的复杂方程。
图3.新模型考虑了叶片延厚度方向的非均匀允许不同的叶层以不同的速度生长，这是产生碗状荷叶弯曲所需要的必要组件，如图所示(左)为模型预测，如图所示(中)为自然荷叶模型预测，如图所示(右)为仿生模拟软物质生长实验叶子的橡胶模型预测。
新发展的理论包含两个考虑两个新的因素新的原理:一是漂浮的叶子受到来自于水基的支撑力来自于水；二是不同的叶层选择以不同叶子厚度方向上的生长梯度速度生长，这也是导致叶片弯曲的原因。第二个原理，同时也是能准确地描述表示荷叶是如何生长生长的必要因素的。例如，在阳光照射下，荷叶在背光的一侧生长得更快，因为背光会使荷叶向太阳弯曲。相关的光诱导运动变形也发生在其他植物中，向日葵就是利用这种弯曲效应来朝面向太阳。”
徐凡教授团队进一步也通过仿生做了相关实验来佐证验证他们的数值模拟理论计算。，他们将切下一种遇水膨胀生长的吸水橡胶材料切成薄片上仿生作为自然真实叶片子生长的替代品。他们将材料薄片局部区域浸湿来模拟出水叶片生长，接着有选择地在真叶子会生长的地方浸湿材料薄片或者让仿生假叶子薄片漂浮在水上一定时间来模拟水基底上的叶片子生长。结果发现仿生叶片这种材料的变形形貌和产生了与理论预测及自然界观察模拟和真实叶片观测一致的叶片的情形十分一致形状。
图4. 水基底对水生植物叶片形貌演变的影响。(a)漂浮的荷叶（实验中样品边缘用红色突出褶皱），(b)-(c)悬空的荷叶，(d)漂浮的睡莲，(e)悬空的睡莲，(f)帝王莲。(a)、(d)和(f)中的蓝色背景代表水基底。
该该研究结果得到了斯坦福大学Ellen Kuhl教授的肯定，她表示徐凡教授的研究发现反映了近年来人们对力学在决定生物结构形状方面的作用上越来越多的关注的兴趣，而不只停留在是遗传和生物化学方面。例如，在脑组织皱痕折叠的研究中，“人们总是只关注细胞，”她说，但现在他们开始认识到力学的重要性。
据徐凡教授介绍，这项研究最开始是出于好奇心驱动。，植物的这种生长模式在自然界是非常普遍的，这种新的薄膜而有弹性的组织弹性生长模型，解释了荷花和其他植物在环境中生长过程中一直未被探索的力学问题，进一步证实了力学受力与基因和生物化学一样，在决定植物形状方面有着的同样重要的作用作用。另外研究结果它未来可能在材料科学领域有着重要潜在的应用，在纳米世界，对于二维材料，这种起皱现象可被用来改变材料的某些物理特性。在军事领域，或可利用这种可控变形技术实现伪装和更好的环境共融性。
原文链接http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.038003https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.038003
