1、本構方程張量函數表示理論體系和人工智能張量底層技術
主要成就：
本構方程是當代固體力學研究的核心難題，鄭泉水在該領域的理論研究達到了少有的深度和完整性。于1994年獨自創建的本構方程張量函數表示理論[1,2]，是至今為止該領域被持續他引最多的文獻，被該領域1970-90年代主要權威AJM Spencer評價“為各向異性材料的連續介質力學/物理的統一理性公式化指引了道路”，被四年一度的國際力學最高獎Hill獎獲得者R. Ogden等用來建立了復合材料、多功能材料和生物組織等的50多種本構關系。建立的鄭-杜模型[3]，被Hill獎獲得者高華健列為細觀力學四個主要模型之一，被評價為“最精確的細觀力學模型”。解決了非橢球夾雜Eshelby張量和Cauchy平均轉動等長期沒有解決的經典難題[4]。
《張量函數表示理論與材料本構方程不變性研究》項目，于2004年獲得國家自然科學獎二等獎（第1獲獎人）。
一方面，在鄭泉水之前罕有高階張量的研究；鄭泉水上述研究成果中的一大特色，是對高階張量的開創性、系統性研究。另一方面，最新興起的人工智能研究尚缺共性數學基礎；而高階張量是人工智能技術中的普遍存在。
目前興趣：
自2017年開始，鄭泉水課題組開始與人工智能學界和企業合作，進行高階張量理論應用于人工智能底層技術的探索。目前鄭泉水帶領團隊將張量理論中的不可約分解與核磁共振技術相結合，提出了處理核磁共振成像中采樣信號的新方法。利用張量數學體系開發出了高效的人工智能底層算法，并將其應用在醫學圖像處理等領域上。在數據處理方面，利用高維數據的稀疏性，使用張量分解算法，成功對高維數據進行低秩近似，為人工智能算法處理提供了便利；在人工智能神經網絡中，利用張量場梯度等信息，對氣管、血管等微結構進行特征表征，方便了后續神經網絡的特征提取。
2、結構超滑科學技術研究與顛覆性產品研發
主要成就：
摩擦和磨損涉及力學、材料、物理、化學等基礎學科和機械、能源、環境、醫療等應用領域，對經濟和人類社會影響巨大。據統計，全球約30%的一次性能源浪費在摩擦過程中，80%的機械部件損壞來自于磨損（單此一項就導致工業化國家經濟損失約占GDP的5%～7%）。對未來影響更大的是，摩擦磨損使得許多夢寐以求、潛力無限的高端技術無法實現。結構超滑技術的誕生，將為相關問題帶來顛覆性的解決方案。
結構超滑（Structural Superlubricity）是指兩個固體表面直接接觸區摩擦和磨損近乎為零的一種狀態，是范德華相互作用帶來的一種獨特性能。鄭泉水開創了范德華納米器件的理論和實驗研究[5,6]，于2012年在全球范圍內率先發現了微米尺度的結構超滑現象[7]，標志著結構超滑技術的誕生。隨后，在國家和民間資金持續的大力支持下、匯聚了全球的頂尖研究者，使得團隊在結構超滑技術領域一路世界領先[8-11]。申請獲批了全球至今公開的幾乎全部的結構超滑發明專利，為微機電技術和數據存儲技術等中的若干重大技術瓶頸問題提供了革命性的解決方案。2018年，鄭泉水等應Nature雜志邀請撰寫發表該領域的未來發展趨勢[11]；2015、2017、2019年，鄭泉水等主持召開了至今為止的歷屆國際超滑專題會議?！斗兜氯A層狀介質的滑移行為和力學模型》項目于2017年獲得國家自然科學獎二等獎（第1獲獎人）。
2018年9月，鄭泉水在清華大學、深圳市政府和深圳市坪山區政府的共同支持下，在深圳國家高新區兩核之一的坪山區創辦成立了全球第一個結構超滑研究機構——深圳清華大學研究院超滑技術研究所（以下簡稱“超滑所”）。同時，超滑所負責創建并全權管理運營深圳超滑技術平臺。2019年9月，超滑所注冊成立產業化公司深圳清力技術有限公司（FrictionX，簡稱“清力技術”），以此為依托建設發展將科技創新成果推向市場的各項能力。
建成的超滑所/清力技術以“‘零磨損’微密技術讓科技更簡潔”為使命，以“為客戶解決傳統技術瓶頸，成為結構超滑技術領導者和推廣者”為愿景，以“為客戶創造價值，與員工共同成長，求實創新，開放共贏，樂觀堅韌，尊重互助”為核心價值觀，依托深圳市“雙區”優勢，建設發展超滑技術全球創意和研發中心，助力深圳成為全球創新高地，成就改變世界的創新創業者。
目前興趣：
超滑所/清力技術未來5年的主要研究方向，聚焦在創造和研發基于結構超滑體系的、滿足重大國家需求或擁有巨大市場前景的革命性技術產品，如基于結構超滑的微機電系統（MEMS）、微納發電機、電接觸關鍵元器件、光學平臺、精密軸承、微納傳感器、下一代存儲技術等。這些產品將擁有極高的俘能或節能效率、極高品質、極高壽命和結構緊湊等特點。同時，超滑所負責的深圳市超滑技術試驗平臺已建設和發展成為全球領先的結構超滑加工平臺。
超滑所/清力技術正處于快速發展時期，5年內將引進和打造總規模不少于50人的專業團隊，涵蓋基礎研發、技術部、實驗室管理、市場、知識產權、綜合管理部門等各項職能領域（包含在北京清華或深圳的博士后）。歡迎認同超滑所愿景和使命，有志于通過結構超滑技術改變世界的青年俊才加入。
同時，鄭泉水教授的清華大學團隊將致力于結構超滑科學和方法體系的建立。
3、極端疏水科學技術研究
主要成就：
結構超滑的深層物理機制，源于范德華固體介質界面間的極低相互作用以及其界面的光滑。有沒有可能在固-液界面間也形成極低的粘附呢？現實中我們常見的是，盡管風聲呼呼，下雨天高速行駛汽車玻璃上的小水滴卻很難被吹走；而在自然界，小水滴卻不僅能在荷葉表面上滾來滾去，還能同時帶走荷葉表面上的臟物，這是因為荷葉和水滴接觸區固-液界面間存在著極低的粘附！這個所謂的“荷葉效應”，稱作為超疏水（Superhydrophobicity），其機理的揭示是1997年人們首次觀察到了荷葉表面的微納結構，使得水滴僅僅能接觸到很小比例的表面面積。
由于在能源、環境、生物、醫療、微流芯片等諸多重大領域有著極其廣泛且重要的潛在應用，超疏水受到了廣泛關注和大量研究。但遺憾的是，由于普遍存在的結構和濕潤狀態的不穩定性，使得超疏水真正走向大規?？煽康膶嶋H應用充滿挑戰。
鄭泉水和合作者于2005年率先揭示了壓力作用下材料表面微納米尺度結構對濕潤狀態不穩定性的影響[12]；首次實驗發現對于特定的微納米表面結構，超疏水濕潤狀態可以穩定存在[13]，突破了人們的長久以來認為該穩定狀態不存在的認識，并從原理上揭示了在實現極端接觸角（指接近180°的接觸角）、結構和濕潤狀態穩定性和固液界面輸運等方面，表面微結構尺度都起到至關重要的作用[14,15]。
目前興趣：
鄭泉水課題組致力于實現可實際應用的極端疏水（指具有穩定的極端接觸角的超疏水性）表面的力學機理和材料制備研究。2019年，鄭泉水課題組發明了一種高耐磨超疏液材料制備方法，經研究表明這種超疏液材料具有很強的耐磨損和抗拉伸性，并且制備操作簡單、高效、低成本和具有廣泛的適用性，有望大規模應用于工業化生產。在具有穩定超疏水性的材料制備工藝基礎上，課題組開展了一系列超疏水表面的應用研究。近期主要關注超疏水材料在強化冷凝、高熱流密度芯片冷卻、以及在太陽能電池板表面自清潔等領域的應用。
這些研究，除獲得了國家自然科學基金委長期資助，并與IBM、波音、Schlumberger，挪威科技大學NTNU、挪威Statoi，法國EDF、華為等國際公司合作。
1. Hod O*, Meyer E, Zheng QS*, Urbakh M: Structural superlubricity and ultralow friction across the length scales. Nature, 563 (2018), 485–492.
2. Zheng QS*, Jiang B, Liu SP, Weng YZ, Lu L, Xue QK, Zhu J, Jiang Q, Wang S, Peng LM: Self-retracting motion of graphite microflakes. Physical Review Letters, 100 (2008), 067205.
3. Liu Z, Yang JR, Grey F, Liu JZ*, Liu YL, Wang YB, Yang YL, Cheng Y and Zheng QS*: Observation of microscale superlubricity in graphite. Physical Review Letters, 108 (2012), 205503.
4. Song YM, Hod O, Ma M*, Zheng QS*：Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal boronnitride layered heterojunctions. Nature Materials, 10 (2018), 1-8.
5. Zheng QS*, Jiang Q*: Multiwalled carbon nanotubes as gigahertz oscillators. Physical Reviews Letters, 88 (2002), 045503.
6. Zheng QS*, Yu Y, Zhao ZH: Effects of hydraulic pressure on the stability and transition of wetting modes of superhydrophobic surfaces. Langmuir, 21 (2005), 12207-12212.
7. Li YS, Que?re? D, Lv CJ, and Zheng QS*: Monostable superrepellent materials, PNAS, 114 (2017), 3387-3392.
8. Zheng QS*: Theory of representations for tensor functions — A unified invariant approach to constitutive equations. Applied Mechanics Review, 47 (1994), 545-587.
9. Zheng QS*: On transversely isotropic, orthotropic and relative isotropic functions of symmetric tensors, skew-symmetric tensors and vectors: Part I- Part V, International Journal of Engineering Science, 31 (1993), 1399-1453.
10. Zheng QS*，Du DX: An explicit and universally applicable estimate for the properties of multiphase composites which accounts for inclusion distribution. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 49 (2001), 2765-2788.
11. Qu CY, Shi SL, Ma M, Zheng QS*: Rotational instability in superlubric joints. Physcial Review Letters, 122.24 (2019), 246101.
12. Peng DL, Wu ZH, Shi DW, Qu CY, Jiang HY, Song YM, Ma M, Aeppli G, Urbakh M, Zheng QS*: Load-induced dynamical transitions at graphene interfaces. Proceedings of the National Academy of Sciences, 177.23 (2020), 12618-12623.
13. Wang KQ, Qu CY*, Wang J, Quan BG, Zheng QS*: Characterization of a microscale superlubric graphite interface. Physical Review Letters, 125.2 (2020), 026101.
14. Qu CY, Wang KQ, Wang J, Gongyang YJ, Carpick RW, Urbakh M, Zheng QS*: Origin of friction in superlubric graphite contacts. Physical Review Letters, 125.12 (2020), 126102.
15. Huang XY, Xiang XJ, Nie JH, Peng DL, Yang FW, Wu ZH, Jiang HY, Xu ZP, Zheng QS*: Microscale Schottky superlubric generator with high direct-current density and ultralong life. Nature Communications, 12.1 (2021), 1-10.
16. Peng DL, Wang J, Jiang HY, Zhao SJ, Wu ZH, Tian KW, Ma M*, Zheng QS*: 100 km wear-free sliding achieved by microscale superlubric graphite/DLC heterojunctions under ambient conditions. National Science Review, 9.1 (2022), nwab109.
17. Wu ZH*, Huang XY*, Xiang XJ, Zheng QS*: Electro-superlubric springs for continuously tunable resonators and oscillators. Communications Materials, 2.1 (2021), 1-7.
18. Lv, CJ., Chen, C., Chuang, YC., Tseng, FG., Yin, YJ., Grey, F., Zheng, QS*. (2014). Substrate curvature gradient drives rapid droplet motion. Physical Review Letters, 113(2), 026101.
19. 鄭泉水：開放式的創新人才培養. 水木清華, 10, 22-25 (2012).
20. 鄭泉水，白峰杉，蘇芃，徐蘆平，陳常青：清華大學錢學森力學班本科榮譽學位項目的探索. 中國大學教學, 08, 50-54 (2016).
21. 鄭泉水：論創新型工科的力學課程體系，力學與實踐，40: 194-202 (2018).
22. 鄭泉水：“多維測評”招生：破解錢學森之問的最大挑戰，中國教育學刊，5: 36-45 (2018).
23. 鄭泉水：序：十年尋心、任重道遠，見鄭泉水、何楓主編《求索創新教育，筑夢共贏未來—清華學堂人才培養計劃錢學森力學班十周年紀念文集》，清華大學出版社，I-VII (2019).
24. 鄭泉水，徐蘆平，白峰杉，張林，王民盛：從星星之火到燎原之勢——拔尖創新人才培養的范式探索. 中國科學院院刊，36(5) , 580-588(2021).
