作者:王昊昊 来源: 中国科学报 发布时间:2023/2/14 9:15:34
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一门材料学科的70年“锻造史”

金展鹏院士(右二)指导学生进行金相实验。

左铁镛院士(左一)向时任国家科委主任方毅(左四)汇报钨钼科研新成果。

中国工程院院士黄培云。

中南大学材料科学与工程学院所在地。

中南大学供图

■本报记者 王昊昊

随着新能源、新材料等新兴产业的快速发展,中南大学材料学科越来越被这些领域的风险投资机构所青睐。这所“低调”的高校显示度“水涨船高”,离不开其材料学科70多年的传承与探索。

作为我国最早设立的材料学专业之一,中南大学材料学科发展有何独到之处?为何能走出诸多学术名流?对材料学科及相关产业的未来发展又有何启示?

“除了长三角外,关注新能源、新材料的同事可以多去湖南看看项目。”一家知名风险投资机构的合伙人在其内部会议上这样说。

之所以如此,和位于湖南省长沙市的中南大学密切相关。在该大学的校友圈里,活跃于新能源、新材料产业的领军人物比比皆是,如比亚迪董事长王传福、容百科技创始人白厚善、科力远董事长钟发平、格林美创始人许开华、中国科学院院士欧阳明高等。

近年来,随着新能源、新材料赛道在投资领域的热度日益攀升,这所“低调”的高校显示度“水涨船高”。而在这背后则是该校材料学科70多年的传承与探索。

工科里知识面最广的学科

“有点儿莫名其妙、不太理解。”对于近年来材料学相关专业被列入“天坑专业”,中南大学原副校长、材料学科建设负责人周科朝评价道。

在他的眼中,材料学科的出现是人类文明史上的里程碑,“自古至今,材料都是很有用的东西”。

在周科朝看来,材料是人类赖以生存和发展的物质基础。不管是石器时代、青铜器时代,还是几次工业革命,人类社会的发展都离不开材料的创新和演进。“材料学科不仅一直处于高地,而且永远年轻,因为不断有新材料出现。”

这是中南大学材料学科创建的大背景。

时间回溯到70多年前。彼时,刚刚成立的新中国百废待兴,在材料领域急需一批有色金属专业人才解决相关科学难题,突破系列工程技术瓶颈,推动国家相关产业发展。

1952年,全国高校院系调整,国家有针对性地将武汉大学、中山大学等6所院校的矿冶类学科组建成中南矿冶学院。学院成立两年后开设了材料学科,并定名为金属工艺系,随后更名为特种冶金系和材料科学与工程系。该校成为新中国最早设立材料学专业的高校之一。

中南大学材料学科的诞生应国家建设所需,由此酝酿出以国家重大需求为己任的“基因”。

在那个国贫民穷的年代,中南大学老一辈材料人取得了多项令人瞩目的成绩。比如,作为中国工程院首批院士之一,黄培云创立了黄培云粉末压制和烧结理论,成功研制多种粉末冶金材料;中国工程院院士左铁镛发现中国占世界首位的钨钼矿产处于严重流失状态,揭示了钨钼脆断机制;中国科学院院士金展鹏开创“金氏相图测定法”……

“这些科研成果既满足了我国首颗人造卫星、首枚洲际导弹等国家重大科研需求,也为材料学科打下了坚实基础。”该校材料科学与工程学院院长李周说。

既然材料专业自诞生之初就为解决国家重大问题作出了重大贡献,如今怎么又成了“坑”呢?

“材料学科最大的特点之一就是交叉。可以说,它是工科里所需知识面最广的学科。”周科朝解释说,该学科要求必须有大量实验和实践,其学生培养难度甚至可以和医学生比肩。“如果要说‘坑’,最难学应该是其唯一‘槽点’。”

然而,宽广的知识面又决定了该专业具有极强的可塑性。周科朝告诉《中国科学报》,国内材料学毕业生一直很“紧俏”,就业前景和方向都很好。

“作为应用性很强的专业,材料学研究往往以应用为导向,旨在解决‘卡脖子’问题。”中南大学材料学科“85后”特聘教授王章维直言,“如果将它误解为‘天坑专业’,那么又有谁来做那些‘卡脖子’技术的‘填坑人’?”

大团队作出大贡献

我国材料学科既要面对国家重大需求中的“卡脖子”技术,同时,由于起步晚、技术落后、人才紧缺等原因,其在自身发展中同样面临诸多“卡脖子”难题。这些“坑”又如何填上?从中南大学材料学科的发展历程中可以找到一些答案。

除材料科学与工程学院外,中南大学粉末冶金研究院也是该校材料学科发展的主要依托机构。在该研究院的展览室里,该校材料学科发展的“五大”理念格外显眼——构筑大平台、凝聚大团队、承担大项目、产出大成果、作出大贡献。

“材料学科特别强调团队精神。”周科朝说,没有平台就不能会聚团队,没有团队就不可能承担大项目,更谈不上大成果、大贡献。因此,“五大”理念曾在一个时期上升为整个中南大学的科研理念。

他补充说,材料学科鼓励自由探索,发挥科学家个人作用,但要凝练、承担并实施涉及国家需求的重大科研项目,没有几年甚至几十年的坚守和团队的齐心协力是不可能完成的。

这些理念可以从中南大学材料学科过去取得的一些重大成果中得到印证。

1958年9月,中南矿冶学院设立了国内第一个粉末冶金专业。同年,左铁镛进入学校任教。

上世纪70年代初,作为我国难熔金属材料和金属加工领域的主要学科带头人之一,左铁镛开始承担原冶金部首部稀有金属材料加工手册的主编任务。为编好手册,他和专家们协力爬矿山、进工厂,收集了大量材料,还获得了一个重要发现——我国占世界首位的钨钼矿产资源正处于严重流失的状态。

钨和钼是两种耐高温金属,也是金属材料加工业、航空航天和国防工业应用的重要材料,但其流失现象当时却未引起其他学者的注意。为此,左铁镛联合其他专家一起联名上书国务院,呼吁发展中国的钨钼深加工产业。

要解决发展问题,首先要面对的是钨钼脆性问题带来的挑战。通过反复实验和深入研究,左铁镛精确揭示了钨钼材料的脆断机制,阐明了加工形变和热处理参数对脆性影响的规律。

“左院士等老科学家的不断努力有力促进了我国钨钼产业的发展。这就是凝聚大团队、产出大成果、作出大贡献的体现。”该校材料科学与工程学院党委书记王德志说。

周科朝也强调,如果没有团队协作,中南大学材料学科不可能产出诸多重大科研成果,更难以培养出一批批的材料领域领军人才。“可以说,‘五大’理念让材料学科的发展少走了很多弯路。”

将时光的指针回拨,今年1月1日,中国东方航空全球首架C919大型客机测试飞行。“鲜为人知的是,决定C919能否平稳起降和滑行的飞机刹车系统均出自中南大学材料学人之手。”该校粉末冶金研究院副院长韦伟峰说。

改革开放后,飞机刹车片等技术长期被国外垄断。1988年,学成归国的中国工程院院士黄伯云率先意识到这一国家重大需求,并于1997年开启“高性能碳/碳航空制动材料”的研究。

黄伯云曾用“打仗”比喻科研挑战,并坦言这一项目可谓“最大的战役”。而在这次“战役”中,课题组曾历经10余年摸索,依然前路茫茫。

某次,一个经过无数次失败后获得的样品,仍然在某个惯性台试验中惨遭失败。当时,比谁都痛苦的黄伯云却用一番话感动了课题组所有人——

“大家同事多年,结下了深厚感情。搞科研不可能没有挫折和失败,面对困难我们必须坚忍不拔,勇往直前……”

2005年,黄伯云团队凭借高性能碳/碳复合航空制动材料制备技术,获国家技术发明奖一等奖。该成果也打破国外技术垄断,使我国成为世界上第四个应用自主知识产权生产碳/碳飞机刹车片的国家。

“教学×科研”:学科最鲜明特色之一

纵观中南大学材料学科的发展之路,一个前瞻性理念起了重要作用,那便是“教学×科研”。

“这是材料学科最鲜明的特色之一。”周科朝说,曾有人认为科研会冲击教学,或认为教学会耽误科研,这两种观点都失之偏颇。实际上,教学和科研就像太极图的阴阳两极,不可或缺、相互依存。

值得一提的是,当前很多高校和学科都意识到教学与科研相结合的重要性,并强调“教学+科研”理念。然而,中南大学材料学科却将“教学”与“科研”之间的符号定为“×”而非“+”,这背后的原因又是什么?

“这不是简单的符号变换。”周科朝说,材料学具有应用学科的特点,这决定了其教学和科研不是简单结合,而是深入结合、互相渗透、相互促进,以高质量教学和科研支撑高质量的人才培养,这就是“教学×科研”的含义所在。

至于该理念从何而来,周科朝表示,这既得益于老一辈材料人留学深造带来的新理念,也和当时的社会背景有关。“在那个百废待兴的年代,各行各业均需要新理论衍化出的新技术,空有理论远远不行。”

今年79岁的郑子樵1963年考入中南矿冶学院,1981年开始在该校任教。他经历并参与了“教学×科研”理念的确立过程。

据他回忆,“教学×科研”理念在中南大学材料学科深入贯彻是在改革开放后。“那时,不少材料领域的‘大牛’从国外学成归来。他们凭借新理念和对材料领域科技发展新动向的判断,逐步确立了学科发展框架,其中既包括科研攻关方向,也包括‘教学×科研’发展理念等。”

郑子樵介绍,中南大学材料学科自创建至今,先后经历过多次教学改革,整体趋势便是教学与科研的双向深度融合——1992年前以贯彻教学为主,1993年至2000年的深化教学改革阶段,则明确提出“全校必须坚持把学校建设成为教育中心和科研中心……的办学指导思想”。

李周表示,材料学科在不断探索发展过程中,提炼出了“一体两翼”办学理念,“一体”就是立德树人,即做到“厚德、善学、乐业、成器”;“两翼”其一为科学研究和工程实践,其二是教学实践。“问渠那得清如许?为有源头活水来。我想这正是材料学科经久不衰之根本。”

越来越吃香的“新战场”

一直处在“高地”的材料学科,目前面临着何种挑战,未来又将如何发展?

对此,周科朝表示,目前我国材料领域的研究大多处于和国际并跑的水平,甚至某些领域开始领跑。随着新能源、储能、新材料等产业的发展,各行各业对新材料的需求会越来越大、越来越高端,材料学科要解决的问题也会更多、更难且更重要,这就决定了该学科发展的前景会更好,专业也会更吃香。

“可以想象,如果没有材料的攻坚和系列科研成果的涌现,我们会越来越被‘卡脖子’。”王章维表示,做“卡脖子”研究势必要坐长时间的冷板凳,这就要求学子首先要对材料学产生很大的热情,这是做科研能否成功的关键。

该校材料学科另一位“85后”特聘教授张妍的经历就是一个很好的例子。

“上大学前,我对粉末冶金专业的认识还很浅。”忆起入学之初的情景,张妍仍激动不已。“入学不久,黄伯云院士获国家技术发明奖一等奖的消息就公布了,同学们都有种‘过年’的感觉,觉得选粉末冶金专业‘捡到宝了’。我也在想,作为一名科研工作者,能在人民大会堂接受国家领导人的颁奖,那得多自豪、多有归属感。”

此后,张妍开始不断查阅粉末冶金究竟是一个怎样的专业,也常常旁听相关专业课程。“那时,科研的种子已在我心中埋下。”如今的她已在铁电材料与器件研发方面取得诸多成果,是德国“资深洪堡学者”和欧盟“玛丽居里学者”。

如果说创新是发展的不竭动力,那么传承就是创新之基、进步之翼。对于材料学科未来的发展,年青一代中南材料人有他们的新思考。

“青年科研工作者是国家科研力量的主力军,我们要做的不仅是把老一辈科学家的精神财富和攻关目标延续下去,还要更多瞄准国家重大需求,做有用的科研。”张妍说,年轻人“好动”,更喜欢和外界交流,希望通过与各国科学家的广泛对话交流,实现合作共赢。

在王章维看来,以前的中南大学材料学科以应用研究为主,大成果、大贡献很多,但基础科研的某些方面还较薄弱。“新一代材料人在国际上接受良好的学术训练后,有望在技术理论方面取得新的突破。现在材料学的大多数教科书都出自国外人之手,希望通过大家的努力,在前沿理论等方面走到更前头,扭转这一局面。”

“以前的很多应用型研究往往侧重于解决一些‘卡脖子’技术,但当我们解决完这些难题后,其他国家的研究已经又进了一步。”他解释说,当我们的研究不断进步、一个个“卡脖子”技术都被突破后,材料产业之路该走向何方?这是年青一代中国材料人要思考的问题。

周科朝告诉《中国科学报》,当下材料学科已经进入“材料基因工程”时代,人工智能、大数据、超强算力等新理念、新技术、新工具,正深刻影响乃至改变材料学科的内涵,高效率计算、高通量制备和高通量表征标志着材料研发智能化已经到来。古老的材料学科正焕发新的生机。

《中国科学报》 (2023-02-14 第4版 高教聚焦)
 
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