作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/24 17:55:38
选择字号:
拥抱学科交叉,蓄力科学范式变革

 

从参与研制1983年第一辆“桑塔纳”轿车里的变速箱外壳至今,中国工程院院士、上海交通大学教授丁文江研究轻型合金材料整整四十年。从镁材料出发,通过交叉科学研究,他和团队的研究成果“多面开花”——从交通领域不断延伸到航空航天、能源、医学、农业等各个领域。

“不同学科互相契合,最终互相成就。”丁文江认为这是学科交叉的应有之义。

当前,以新兴科学和强势科学引领的交叉科学正在推动中国新产业、新经济呈现世界领先的态势。在材料、能源、人工智能等领域,中国正在凭借自身的全产业链制造能力和全球最强的资源整合能力打造世界级智能工厂和消费大市场。

“交叉科学已经成为科学研究范式变革的一个重要基础,学科交叉融合不但形成前沿研究热点,催生新兴交叉科学方向,还是诸多领域颠覆性技术的重要源头。”在近日举办的首届2023北京交叉科学大会上,北京交叉科学学会理事长、中国工程院院士周济说。

面对产业挑战,寻找交叉着力点

“镁是地球地壳中丰度排名第八的元素,中国金属镁产量约占世界的90%,可以充分地利用这一优势资源。”丁文江在大会主旨报告中说。

但这种质地轻、化学活性大的轻金属的开发利用也存在瓶颈,如结构强度低、容易燃烧、寿命较短。

上世纪八十年代,丁文江开始与镁材料打交道。彼时时,在推进国产桑塔纳下线的过程中,上海第一汽车附件厂发生了一次燃烧事件,受邀寻找问题的丁文江发现,车上的两个镁合金零件变速箱的壳体和壳盖发生了燃烧,这给产品生产带来了阻碍。

此后,丁文江和团队通过将镁与稀土元素结合,开发了新型阻燃镁合金,将镁的燃点和强度提高了一倍,寿命提高了三倍。这不仅解决了当时变速箱的问题,还使得我国高速武装直升机、反舰导弹等“国之重器”的相关产品性能得到极大提升。

目前,绿色氢能利用过程中的储运技术是全球面临的挑战。气态氢极易发生燃烧和爆炸,非常不利于储运;液态氢储运则要攻克持续在零下253摄氏度条件下储运的容器难题,解决穿透性、渗透力很强的氢分子密闭的问题。

经过测试,他们发现采用固态储氢方式,可实现每立方米110公斤氢储存,远超过用高压气态和低温液态方式储存的氢气量,后两者分别为每立方米储氢14.4公斤和70公斤。目前,他们已经设计出可以储存1.5吨氢气的世界首台标准化镁基固态储氢车。

“现在,路上跑的四十多吨的储运车大都只能装250公斤到300公斤的液态氢,由此可见通过学科交叉可以产生一些非常优越的材料。”丁文江说。

该团队还在尝试将镁研究与其他学科结合,拓展应用边界。如提高无人机续航能力,改善牛皮癣、癌症等临床药物或疗法的疗效,提升农产品产量和口感等。

“应对新一轮科技革命和产业变革,解决重要的科学问题越来越依赖于学科交叉。”中国工程院院士、北京工业大学校长聂祚仁举例,我国实现双碳目标时间远少于欧美国家,而当前单位GDP碳排放总量仍远高于欧美,面对经济发展的刚性需求,这将需要电力、能源、交通、工业、农业、生活等各个领域的攻关。 

“比如一个产品从生态设计、工艺规划、清洁生产、绿色包装等全生命周期的关键核心技术,不能仅靠任何单一门学科,惟有交叉科学研究才可能突破研究与生产壁垒。”他说。油气安全是我国能源安全的重要部分,今年我国一季度石油对外依存度高达74%,天然气接近45%。“面对我国能源短缺和近年来资源品质下降的问题,实现地上和地下资源调查一体化十分关键。”中国工程院院士、中国石油勘探开发研究院教授刘合说。

他表示,数字化转型实现一体化的核心。这需要深化地质和人工智能等领域的学科交叉,在数字化的基础设施建设和推动科研模式转变上下功夫,使不同专业的研究者在一个平台下工作,深化产业协同。

开辟“新赛道”,需要眼光和耐心

作为一名无机合成化学专家,碳酸钙是中国科学院院士俞书宏团队研究最多的一种无机物,其化学组分相对十分简单,如骨骼和牙齿中96%的成分是强基磷酸钙或碳酸钙。研究时间长了,一些学生产生了倦怠心理。

“别人都在做功能材料,碳酸钙没有任何功能,能不能换个材料?”有学生问他。

俞书宏的回答是:“科研需要眼光与耐心。”

他认为,司空见惯的碳酸钙背后也有尚未回答的重要科学问题:比如为什么自然界的碳酸钙可以长得大,而实验室里做出来的都是微纳级的粉末?能不能做出大块的碳酸钙?

俞书宏的很多科研灵感来自大自然,贝壳就是其中一个灵感源泉。2016年,通过多学科交叉,俞书宏团队模仿天然珍珠母的“砌墙式”策略,在国际上首次成功矿化合成了人工珍珠母材料。其合成时间远低于天然珍珠母长达数月的形成周期,仅需要两周左右,且力学强度和韧性都能提升到更高水平。这一方法有望在骨骼等生物医学材料方法发挥重要作用。

人工贝壳能够制造出来了,但与贝壳相关的科学问题并未结束。贝壳折扇区的铰链在整个生命周期会开合150万次以上,这种表面看起来非常坚硬的材料如何形成优越的抗疲劳和韧性性能?进一步研究中,最近他们发现,折扇区放射状的碳酸钙纳米线排列结构非常关键,这将有助于开发富有韧性与力学强度的生物陶瓷等新型脆性材料。

这两项研究先后发表于《科学》杂志,受到同行高度评价。在俞书宏看来,做好交叉科学研究要有更强的创新意识,找到关键的科学问题,才能做出“从0到1”的科研。同时,要有“甘坐冷板凳”的耐心。他和团队的贝壳研究涉及化学、生物、力学、工程学、数理科学等多个学科领域,参与研究的硕博连读生坚持了六七年才让一项研究更完善。

据统计,诺贝尔奖百余年来,41%的成果属于交叉学科,尤其是21世纪以来,跨学科成果占半数以上。“古希腊哲学家赫拉克利特说,唯一不变的是变化本身。材料是世界的物质基础,学科交叉为制造在各种环境中可应用的复杂多层次结构提供了巨大的潜力。”中国科学院院士、哈尔滨工业大学未来技术学院院长冷劲松说。

人工智能作为底层技术,是热门学科交叉领域。通过将智能材料和人工智能相结合,冷劲松团队开辟出形状记忆聚合物复合材料的“新赛道”。这种复合材料可通过温度、湿度等产生形状变化的响应。基于此制造的多个设施已进入太空。

以人造卫星为例,通常其采用的刚性太阳能帆板需要在卫星升空后用雷管炸开螺栓,再用弹簧将帆板弹开。由于一个雷管只能用于一次性冲击,一旦炸不开螺栓,卫星就会因为缺电而失效。这种方法还可能导致爆炸过度损害卫星复杂的机械结构。

“形状记忆复合材料可以做成一个铰链,在卫星升空过程中处于锁紧状态,升空后加热伸直,然后自动刚化,提供力学承载力。”冷劲松介绍,目前基于这一思路制造的柔性太阳能帆板已用于2019年发射的实践二十号卫星。

同时,在我国首次火星探测任务中,以这种形状记忆复合材料为基础制造的中国国旗  于2021年在祝融号着陆器上实现可控动态展开,祝融号可伸展两米长的自拍杆也是利用这种智能材料制成的,这些使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物智能结构应用于深空探测工程的国家。

以更开放的态度应对挑战

不过,当前,做好学科交叉研究仍存在不少挑战。

俞书宏在接受《中国科学报》采访时认为,培养真正的跨学科人才仍是一个难题。一方面,大多数本科教育属于“通识教育”,学科内容往往比较单一,成为一名真正的跨学科人才需要在研究生阶段补充扎实的跨学科知识。另一方面,不同于欧美国家导师拥有自主招生权可在不同专业进行跨学科招生,国内的学科招生和学位授予壁垒很难让一位导师招生到跨学科的研究生。

排除这些挑战,俞书宏认为,青年科研人员也需要有做重要研究的意识和学术品位。“如果只想‘安全起见’,找一些难度不怎么大的课题,那么将不会得到真正的锻炼,也不可能成为一流的科学家。”他说。

“学科交叉隐藏着无数机遇,目前科学技术的发展已进入了一个大交叉时代,不同学科、研究方向的相互融合,是未来科学发展的重要方向。”周济说。

作为国内交叉科学领域首次大规模学术活动,首届北京交叉科学大会以“交叉科学新时代”为主题,涵盖生物制造、未来芯片、城市安全等近20个交流领域。周济表示,这是中国交叉学科基础科学发展和前沿技术成果展示的一次“大摸底”,更是一场立足科学交叉推动高质量发展、促进产学研用融合共生的“总动员”。

他寄语青年科学家,聚焦前沿热点与当前紧迫性基础难题,通过多学科融合,坚定自主研发,深研交叉科学,牢牢把握科技革命和产业变革新一轮发展机遇,积极通过创新成果转化培育发展未来产业,抢占新一轮全球科技和产业竞争制高点。

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
大规模基因研究重绘开花植物的生命之树 彭慧胜院士团队把“充电宝”做成衣服
缓解肠易激综合征  饮食比服药更有效 银河系发现巨大黑洞
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文