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在学科交叉中绽放科研之花
发表时间 2017-12-29 10:03 来源 本站原创

  ——记上海大学理学院、材料基因组工程研究院朱佩成教授

  编者按:从某种意义上说,小到一个人的人生,大到一个国家和民族甚至我们全人类的未来,乃至整个宇宙的未来,都由看不见的规律支配着,因而它们其实都是一道道数学题。给出正确的答案,才有可能收获种种成功的结果;给出错误的答案,则会接受各种惩罚。数学是现代科学的基础,与我们的日常生活和生产活动息息相关。众多科研工作者沉醉于数学研究,对于其中的真理孜孜以求,尽管可能一时无法获得突破性成果。就像科幻作家何夕在其作品《伤心者》中所言:“对有一些东西是不应该过多地讲求回报的,你不应该要求它们长出漂亮的叶子和花来,因为它们是根。”数学就是科学之花的根。但是社会是现实的,科研需要回报,单纯的理论研究往往是“无用”的,也是无法持续的,所以还是需要结合生产和生活实践做研究。上海大学理学院、材料基因组工程研究院朱佩成教授长期以来致力于应用数学范畴的教学与科研,并坚持学科交叉创新,这个法则被发达国家如美国、德国等等深深地、坚强地信奉着,使得科学研究与工程技术之间良性地交互作用、互相促进,从而在国际上长期地、全面地处于领先地位。在我国也有这么一位认可这种科研之风并努力践行着的研究者,他就是上海大学理学院、材料基因组工程研究院朱佩成教授,他长期致力于具有极强工业背景的应用数学的教学与科研,在材料科学领域里取得了一系列丰硕的成果。

  朱佩成,上海“千人计划”特聘教授教授。曾在多个国家任职,并在欧洲取得终身教授职位。经过创新研究,成功建立了描述形状记忆合金等智能材料中结构相变的两类相场模型。对流体动力学中的可压缩纳维—斯道克斯方程外流问题,率先进行非线性波的分类,并证明其中若干类波的渐近稳定性。建立精细先验估计,解决了形状记忆合金、类固体等材料的热粘弹性方程组等悬而未决几十年的问题。

  痴迷数学,柳暗花明

  数学是什么?数学可以说是一门最古老的学科,历久弥坚,虽然经历了多次危机,却总能克服并发展壮大。至于今,即使是学数学的也不可能完全地理解他/她擅长的领域之外的数学分支,每每会有隔行如隔山之感慨。

  朱佩成少年时的偶像是被誉为“中国现代数学之父”的华罗庚。华罗庚是在国际上享有盛誉的数学大师,他开创了中国数学学派并引领若干领域达到世界一流水平。这一切在朱佩成幼小的心灵里留下了深刻的印象。

  由于对华罗庚的崇拜,朱佩成开始对数学产生了浓厚的兴趣。兴趣是最好的老师,是钻研的最大动力,凭借过人的天赋,他在数学学习的道路上一发不可收,从中学到大学再到博士,朱佩成再也没有离开这个领域。

  “刚开始感觉数学这门学科挺神圣的,那个时候不是宣传‘学好数理化,走遍天下都不怕’嘛,但是学着学着,困惑就来了”。随着钻研的程度越来越深入,朱佩成渐渐发现自己的所学——数学,对于整个科学的推动、社会的前进以及经济的发展的直接作用貌似并不是很大,但同时再换一个角度看,数学是一门基础学科,其他学科甚至是语言学科(如语音分析等),都会或多或少地运用到数学,作为其他学科发展必不可少的一门工具,诚如马克思所言“任何学科只有当它充分地应用了数学时才能成为真正的科学”,可见数学专业的价值又是不可低估的!一门由人类纯思维创造出来的学科却能够那么精确地描述着客观世界、对科学的发展起到这么巨大的作用,从微观到宏观,从自然科学到工程技术到社会科学,很多规律是数学方程式来写的,这是多么的神奇!这一认识,让他一度陷入纠结中,继续钻研下去的意义到底大不大?数学专业要如何研究和运用才能使其成为一门“接地气”的学科,才能够真正去解决和人民日常生活工作息息相关的问题?

  这个心结,一直到朱佩成在国内完成博士后研究也没有完全打开。他想到自己的偶像华罗庚先生曾经远赴欧美深造,对他的科研起到了关键性的作用,也想到了中国的那句古训“读万卷书,行万里路”,这让朱佩成下决心要走出去寻找答案,换一个角度看世界,换一个角度看自己。于是,他开启了这之后长达15年的海外留学和工作生涯,第一站是日本的九州大学,得到日本学术振兴会的资助作外国人特别研究员。回想起当年战战兢兢地迈出第一步时,朱佩成笑谈自己很幸运,遇到了很多好的老师,就像“鲁迅当初遇到了藤野先生一样”,他们给了自己很多关怀和信心,使自己每一步都走得很扎实。

  在这十几年里,朱佩成先后在国际知名的日本九州大学、德国Darmstadt工业大学、西班牙巴斯克应用数学中学和巴斯克祖国大学从事教学和科研,还访问了诸如德国柏林洪堡大学数学所、波恩大学数学所、日本京都大学数理研究所、波兰Banach数学研究中心等世界著名的数学研究所,有机会面对面向国际数学大师们(如J.Ball、P.L.Lions等)学习,使得朱佩成逐渐具备了极高的国际视野,与国际著名的研究中心保持着密切的合作关系,从而对国际主流发展方向有了更为准确的把握。

  这些经历也让朱佩成亲身体会到了不同的科研文化,让他大开眼界,呼吸到了很多和国内截然不同的新鲜空气。比如他发现这里并不靠论文的数量来证明你的水平,论文的质量比数量更为重要;这里宽松的科研环境更容易激发出一个人自由思考的潜力;而这种宽松并不等同于无秩序的松懈,在德国,科研论文里一个标点符号到底应该是逗号还是句号、数学公式后面的空格有没有严格执行都要考虑周全,这种严谨的治学态度让朱佩成叹为观止并且受益匪浅。

  在这样的环境里,朱佩成可以更加自由地思考各类问题,如在科学发展越来越发达的今天,学科分的很细,学科之间的界限越来越模糊,更让人觉得隔行如隔山,科学向何处发展?科学工作者应该有怎样的科学修养?科学理论的价值是什么?他也逐步体会到在科学面前是人人平等的,即使是科学大师有时候也会出错,真正的大师不以错为耻,而是发现错了再修正或者是根本性的再建立新的理论,因此科学认识是螺旋形的上升;在对待错误上,东西方的差距很大;他也认识到只有有了自己的思想、形成自己的思想体系的,才称得上真正的意义上的科学家,而科学理论最终是为了人类自己,这是它存在的价值;如果理论不能解决实际问题,再复杂也一无是处。

  朱佩成认识到,数学是一门很特别的学科。它与其它的自然科学、社会科学不同,没有一个客观的现象来检验它,逻辑上正确它就是对的,在此意义上,数学甚至不是一门科学。但是数学,即使是纯数学,毫无疑问地非常有用,是自然科学、社会科学的语言。试想一下:没有数学,牛顿力学就没有了精确的基础,也就没有现代科学的滥觞。将近三百年后,在物理科学突飞猛进的20世纪,爱因斯坦修进了牛顿力学,建立了相对论,其基础是偏微分方程。量子力学的出现,引领我们发展了无穷维的空间,反过来又为量子力学提供了坚实的理论基础。此外,计算机科学更与数学密不可分。材料科学中很多现象都可以由发展方程来描述,有的甚至用到作为纯数学一个分支的群论。。即使是社会科学,也越来越多地应用了数学,没有数学作为工具,很难精确化,也很难走远,如人口学模型、期权定价模型、对策论等,用到的是微分方程、运筹学等,有的成就获颁诺贝尔奖。

  因此,朱佩成意识到,数学离我们的直觉是那么的遥远,却很好地描述了这个世界!作为近似了的抽象化的世界的反映的数学,一些纯思维的成就所组成的数学,却是这么真实地描述着我们这个纷繁复杂的看似没有规律然而可以被理性认知的尘世;看似完全不同的很多种现象,却能够被一个相同的微分方程描述,等等,等等,这就是作为人类理性思维最大成就的数学的最大奇妙之处。数学对其它学科非常有用,反之,如果不与其它学科紧密结合,数学的威力也必然就会大大地降低,或许这也是数学无用论产生的一个主要源头;还有如果数学离开了别的学科,就会失去发展的方向,失去凭以健康成长的血液!它们之间是互相影响,螺旋式的互相促进上升。

  为了更好地将数学与实际联系起来,朱佩成在国外学习了很多建模技巧,这领域在国内也是几乎没有涉及到的。除了数学专业的课程外,他还掌握了建模所需的固体物理、晶体学、材料科学基础等诸多跨学科的知识。而当初一直困扰他的关于数学专业的方向问题也在海外经历中逐渐地找到了答案,对以前接触到的各类模型有了更深刻的理解,而且朱佩成建立起属于自己的科研哲学,那就是明确了应用数学只有在与别的科学领域紧密结合时,它才更为有意义、更能得出重大成果。因此他为自己设计了详细的科研路线图:首先选择具有重大意义的物理现象,建立数学模型;然后对这些模型做理论分析和计算机模拟,再跟实验结果做对比以判别模型的优劣;最后以验证了的模型为基础进行各种数值模拟,这些数值模拟结果可以用来更好的理解该物理现象,并指导应用。比如在他看来,材料科学的数学问题研究就是大有发展前途的领域,促进了一门新学科即固体数学的滥觞。

  当认识到这些之后,就像古诗“柳暗花明又一村”所描述的那样,朱佩成蓦然发现,自己脚下曾经不知道何去何从的路豁然开朗起来。

  记忆合金,学科交叉的材料科学新成果

  材料与我们人类的衣食住行息息相关。我们生活的当代比过去任何时代都更多地制造、使用人工材料,而这些新材料的发现、发明和使用已经极大地改变了现代人的工作、生活方式。例如智能材料如形状记忆合金等,应用在军舰的紧固件,已经成功使得累计几百万个零件不再发生漏油事故;各类新材料应用于空客A380这种空中巨无霸、超大型飞机,使得乘员可达原有的最大飞机的载客数的两倍,但是机重、翼展、油耗等远远小于原有最大飞机对应的量的两倍,让我们可以更舒适更便宜地旅行。没有新材料,智能手机也是不可能。我们天天吃的食物,也在不断地创造出新品种。再比如高温合金,由于国内还没能够生产出飞机(特别是民用大飞机)的发动机用的、抗氧化耐高温长寿命的高温合金,我国的发动机及大飞机基本上只能购买西方国家的,因此高温合金的研发列为国家重大专项。总之,对一个国家来说,新材料对保障经济安全、国家安全和保持人类富裕生活等是至关重要的。

  与古人基本上只能应用天然的材料不同,我们当下的时代比历史上任何一个时代都更多地制造和使用着人造材料,而这些新材料的发明极大地改变了现代人的生活与工作方式。所以,材料科学作为一门新科学成为了21世纪国际上最热门的前沿研究领域。

  如何设计新材料以满足我们的所需是材料科学,特别是方兴未艾的材料基因组计划中的中心任务。朱佩成介绍说,除了数学之外,它还涉及到了力学、物理学、计算机科学等学科,是一门成果辈出的交叉学科特色的研发平台,数学模型在其中扮演着极其重要的角色。

  朱佩成的一个重要抓手材料是形状记忆合金。1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应,即合金的形状被改变之后,一旦加热到一定的临界温度时,它又可以魔术般地变回到原来的形状,人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过80余年,但由于其在各领域的特效应用,正广为世人所瞩目,被誉为“神奇的功能材料”。

  朱佩成早在攻读博士期间就开始研究形状记忆合金,因为它的作用实在太广泛太强大了。记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前,将抛物面天线折叠起来装进卫星体内,火箭升空把人造卫星送到预定轨道后,只需加温,折叠的卫星天线因具有“记忆”功能而自然展开,恢复抛物面形状;记忆合金在临床医疗领域内也有着广泛的应用,例如人造骨骼、伤骨固定加压器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器和手术缝合线等等,记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色;而记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。仅以记忆合金制成的弹簧为例,把这种弹簧放在热水中,弹簧的长度立即伸长,再放到冷水中,它会立即恢复原状。利用这种材料的弹簧可以控制浴室水管的水温,在热水温度过高时通过“记忆”功能,调节或关闭供水管道,避免烫伤。也可以制作成消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变,启动消防报警装置,达到报警的目的。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内,用以保持暖房的温度,当温度过低或过高时,自动开启或关闭暖气的阀门。

  作为一类新兴的功能材料,记忆合金的很多新用途正在不断被开发,甚至超出了很多人的想象。“例如汽车的外壳也可以用记忆合金制作,那么如果发生了事故,碰撞剐蹭出现了变形,只要用电吹风加加热就可恢复原状,既省钱又省力。”朱佩成憧憬道。这听起来好似有些天方夜谭,但是他很严肃地告诉记者,这可不算是个笑话,或许用不了多少年就真的会实现的。

  通过数学建模来认识形状记忆合金的更多性质,甚至设计出成本更低的金属组成的形状记忆合金使得这类合金有更为广泛的应用,有着重要经济社会意义,这也是朱佩成长期以来坚持的科研目标之一。

  现有的学科之间的交叉,则是重大成果、新学科的沃土,是现代科学发展的主流方向。交叉学科的研究的困难之处在于需要掌握自己专长之外的(多个)领域的知识和各种基本技能。隔行如隔山,不同学科都有自己的价值观。有不同的评价体系,不同领域之间的交流、认可都不是很容易的事情。

  在学科交叉研究的基础上,通过创新思考,朱佩成与他的合作者Alber教授率先提出了基于构形力的固固相变的相场模型。他们的模型是与牛顿力驱动的相变模型完全不同的。这类模型的推导是全新的:一般的模型推导是基于某个物理守恒律,而他们的模型的推导是从一个构形力的公式、一个零界面厚度的模型和热力学第二定律出发。推导了序参数守恒和不守恒的二种情形下的模型,分别对应于材料科学界广泛地接受了的Cahn-Hilliard和Allen-Cahn模型。通过对Alber-朱佩成模型的理论分析及一些数值模拟就会发现这些模型更适合描述无原子扩散的相变,如钢铁、形状记忆合金中的马氏体相变,以及界面扩散引起的界面运动,如烧结过程。从Alber-朱佩成模型中的梯度项可以判断:当材料的某一部分变为一种稳定的相后,该部分就不再随时间而变化,而这与实验中观察到结果完全符合。

  此前,国际上也有不少的科学家在研究这一领域,但是朱佩成和他的合作者是全世界范围内第一个提出这种相场模型的。Alber和朱佩成的新模型已逐渐地吸引了越来越多知名专家的兴趣与认可,比如奥地利的Fisher教授、德国慕尼黑工业大学的Friesecke教授、美国卡耐基—梅陇大学的Acharya教授、英国Bath大学Zimmer教授、日本的川岛秀一教授以及国内华南农业大学的房少梅教授等。其中,德国斯图加特大学的Markert博士甚至建议给此新模型定名为Alber-Zhu模型。

  对此,朱佩成谦逊地表示,目前他还在不断地完善理论上的分析,要被更为广泛的验证与认可才行,这需要一段漫长的时间。

  一个毅然回国报效的理想主义者

  周星驰电影《少林足球》中有一句著名台词:“做人如果没有梦想,跟咸鱼有什么区别?”虽然是无厘头的吐槽,却大有深意。我们现在所生活的世界,多的是一味钻营的精致利己主义者和对一切美好理想都尽可能冷嘲热讽的犬儒主义者,缺的则是执着理想,勇于改变丑恶现实的理想主义者。朱佩成就是这样一个以自己的数学理想改变落后现状的理想主义者。

  朱佩成一直坚持认为交叉学科将是创造性成果的生长点和成长的沃土,这一主张也造就了他虽然长期从事在应用数学范畴的教学与科研,但是在材料科学领域里也取得一系列的重要成就。

  上海市的“085”计划中,材料科学作为很重要的一块,对于人才十分重视,求贤若渴。在2014年,上海市“千人计划”向身在海外的朱佩成伸出了橄榄枝。同一年,由上海大学联合复旦大学、上海交通大学等多家高校和研究机构筹建起全国第一家材料基因组工程研究院,这是一家专业性交叉学科的研究机构,在集成计算与材料设计、结构材料、能源材料、智能与功能材料等领域形成了有特色的研究方向。

  面对国内发出的邀请,已在国外任职多年并且取得终身教授职位的朱佩成没有丝毫的犹豫便选择回到上海大学任教。朱佩成向记者坦言是两个因素促使他很快就做出这个重大的决定。一个是他一生都挥之不去的“中国情结”,虽然在海外生活了十几年,整个人从思维到行为都深受西方文化的影响,但是“越出国,越爱国”,朱佩成时刻没有忘记祖国的发展,如果有这么一个机会,自然是选择把一身所学回报祖国。另一个因素是考虑到上海及上海大学的科研环境,很适合自己的发展志向,尤其是可以跨学科地和物理、化学、计算机、材料科学等很多专业的人才交流合作,如果能将彼此的资源和优势有效结合起来,就可以使得效益最大化,做出很好的科研成果。

  朱佩成回到上海大学之后,马不停蹄地开始着手开展各项科研工作。材料科学在做,其他领域也在做,只要能够利用自己的所学创造出价值,朱佩成都愿意尝试。就如他所讲的,数学在很多领域都可以用到,不仅仅是已经开展研究的材料科学,就是经济学和社会学也需要数学作为工具。朱佩成希望能把数学学科不断拓展到更多的领域里,例如针对日益严重的机动车尾气污染,他参与了一家公司基于微流体数值模拟的高压共轨燃油喷油器的设计;而针对极端天气出现的越来越频繁,如何提高天气预报的准确性这一迫切需求,他利用大气科学背后的数学理论,与环境化学学院的同事一道开展了“数值天气预报中资料同化的数学方法研究”。

  朱佩成回到上海大学之后迅速组建了自己的科研团队。他从国外带回来很多新思维,希望能够形成一支具有国际水准的团队。朱佩成说,我国是一个人才资源大国,有充足的优秀生源,但如何培养他们是一个关键的钱学森先生提出的大哉问、现在还没找到答案的问题。朱佩成希望能激发出团队成员们兴趣,培养他们的独立创新精神,鼓励他们发现新现象、新规律、使他们能建立起正确的科研态度,而不仅仅是以发表论文做为最终科研目标。

  于科学核心价值即科学成果的原始创新性,朱佩成认为原创性是科学与工程技术的分水岭,他有一个精彩的“造桥”理论:当还没有桥梁出现的时候,面对一条大河,第一个想到利用造桥过河的人,哪怕只是一根简陋的独木桥或者树桩搭在河的两岸,这也是一种伟大的原始创新。而在此基础上的第二个人,哪怕是造出一座雄伟的石桥或者技艺精湛的钢筋桥来,也只能说是工程技术上的伟大,但在科学创新上已经没有了价值。朱佩成经常用这个典故讲给团队的成员和学生,来强调科学原始创新思想的重要性。

  朱佩成就是一个充满了理想主义色彩的数学家,为了实现自己的目标勇往直前。朱佩成说,他在西班牙任职期间曾经熟读了西班牙国宝级的小说《唐吉诃德》,很多人把里面的主角唐吉诃德看成了一个漫画式的可笑人物,然而他却不这么认为。朱佩成觉得小说里的唐吉诃德是一个理想主义的化身,他有着百折不屈的无畏精神,为了坚持自己的理想奋不顾身。而这恰恰应该是当代科学家们所具备的一种态度。

  材料基因组计划,前途不可限量

  2008年由美国引发了金融危机、中国等新兴的制造业大国的发展壮大而占具越来越大市场份额,在此双重压力下,为了重振美国制造业,加快复苏美国经济和保持美国经济的全球竞争力,美国前总统欧巴马在2011年6月提出了材料基因组计划这个新型的新材料研发平台。它与传统的材料研发方法即试错法的主要不同之处在于:利用人类长时间应用材料的过程中累积起来的数据库,结合大规模集成计算这个主要工具,高通量、并发式的设计出新材料,使新材料的研发速度快一倍,但研发费用只有传统手段的一小部分,同时大大加快新材料的商业化。基于材料基因组计划这个平台研发新材料是可实现的,目前已经有很多成功的例子,如P&G公司单单2009年就节约了19年的设计时间;美国通用电气公司把开发引擎用的合金的时间成功地从15年降为9年等等。

  当前我国已经步入中等收入国家的行列,正处于国民经济发展模式转型升级的关键时期。为了顺利跨越“中等收入的陷阱”,实现中华民族复兴的中国梦,中央高瞻远瞩地制定了创新驱动的经济发展战略,相应于德国的“工业4.0”,提出了“中国制造2025”。

  为了实现以上社会经济发展的目标,新材料是至关重要的,从而材料基因组计划起着举足轻重的作用。

  上海大学在2015年牵头成立了国内第一家材料基因组研究院,结合复旦大学、上海交大、上海硅酸盐所等单位,研究中国版的材料基因组计划,朱佩成成为该研究院的数学学科带头人。材料基因组计划的成功,极大地依赖于有效的计算方法,因此需要建立好的数学模型。这是因为基于分子动力学、第一性原理、密度泛函理论等方法的模拟,都存在着计算量很大这个瓶颈。朱佩成的研究着重于介观尺度上的数学模型,此类模型可以大大降低计算量,从而更能适用于解决实际问题。

  材料科学中很多问题没解决,如超导、形状记忆合金等材料之所以有它们特有的效应的发生机制;又如被西方国家封锁的高温合金我国自己怎么自主制造等等。朱佩成说,数学虽不是一门科学,但是很有用,是描述自然科学的一个有效的工具。上至天文下至地理,数理化、经济学等,数学都能够找到它的用武之地。兴趣是最好的老师,理想是最大的动力。成就感,特别是找到了自己的理论的的用武之地时,给予了我们人类特有的好奇心最大的满足。认识到了自己从事的研究领域的重要性及其对社会进步经济发展的直接的或者潜在的巨大作用,这也帮助朱佩成长期坚持自己认定的道路。

  对材料科学中的数学问题的研究,已经慢慢地促进了一门新兴的学科即固体数学的滥觞;朱佩成的研究对这门学科是添砖加瓦。此外,对材料基因组计划的成功也起到重要的作用。同时对数学本身的发展也是值得肯定的。

  卓越的科研成果的取得离不开一流的人才团队。对于如何打造高水平的团队,朱佩成认为关键是人,团队里拥有大量有着创新意识的、国际视野的、多学科背景的研究人员。其次是好的科研管理制度特别是科研成果的评价体系。科研经费等是次要的,尤其是对理论为主的科研人员。把理念相近、有创新意识、有独立性的研究人员团结在一起,是团队成功的必要条件。没有一个好的团队,取得好的研究成果是不可想象的。要有理想、要有恒心和毅力、要有独立性走自己的路的勇气因为走创新之路往往是一条孤独的路。

  对于研究中不可避免的会遇到的诸多困难,朱佩成说,创新性的研究成果被广为接受是最难的。越是伟大的成果,被接受往往是更难,即使是爱因斯坦的相对论,也经历了被质疑的阶段。需要反反复复地向相关的领域的专家推介自己的工作。材料与我们的日常生活、工作息息相关。历史可以以材料来断代,如石器时代、青铜时代等等,现在则是信息时代(与硅是密不可分的),材料科学,特别是现在的材料基因组计划,则是研究材料,一个重要的任务是研发新材料,因此前途是不可限量的。

  正如冰心的诗《繁星·春水》中所说的那样:“对于成功之花,人们往往惊羡它现时的明艳,然而当初,它的芽儿却浸透了奋斗的泪泉,洒满了牺牲的血雨。”只有坚持坚持再坚持,努力努力再努力,才是走向成功的唯一途径。对于未来,朱佩成满怀信心,他深信通过自己和团队成员的执着耕耘和开拓创新,一定能在数学与其他学科的交叉创新中,在材料基因组等研究中,开出绚丽的花朵。