作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2023/8/25 8:44:27
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如何做好学科交叉?3位院士分享心得
——丁文江、俞书宏、冷劲松三位院士分享科研心得

 

■本报记者 冯丽妃

自21世纪以来,诺贝尔奖跨学科成果占半数以上。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了前沿研究热点,还成为诸多领域颠覆性技术的重要源头。

如何做好学科交叉研究?在近日举办的首届2023北京交叉科学大会上,《中国科学报》记者记录了丁文江、俞书宏、冷劲松3位院士的科研故事和心得。

丁文江

从桑塔纳变速箱到固态储氢车,学科交叉产生优越材料

“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。

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已整整40年。从镁材料出发,从产业挑战寻找学科交叉着力点,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。

镁是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%。“我们可以充分地利用这一优势资源。”丁文江在主旨报告中说。但开发利用这种质地轻、化学活性大的轻金属仍存在瓶颈,如结构强度低、容易燃烧、寿命较短。

上世纪80年代,丁文江开始与镁材料打交道。彼时,在推进国产桑塔纳轿车下线的过程中,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,他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1倍、寿命提高了3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,还要解决穿透性、渗透力很强的氢分子密闭问题。

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40多吨的储运车大都只能装250公斤到300公斤液态氢,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,拓宽应用边界。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,提升农产品产量并改善口感等。

俞书宏

用眼光和耐心长期钻研,司空见惯的材料也能产出重要成果

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矿物,其化学组分相对简单,如贝壳、骨骼中大约有95%~96%的成分是碳酸钙和羟基磷酸钙。

但对于学生来说,长时间研究一种材料便会产生倦怠心理。“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较大,而实验室里做出来的都是微纳级粉末?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,贝壳就是其中之一。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。其合成时间仅需两周左右,远短于天然珍珠母长达数月的形成周期,且力学强度和韧性都能提升到更高水平。这一方法有望推广至骨骼等生物医用材料的制备方面,并获得重要应用。

人工贝壳虽然能够制造出来,但与贝壳相关的科学问题并未解决。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?俞书宏团队进一步研究发现,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材料。

这两项研究先后发表于《科学》,并获得同行高度评价。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或瓶颈,同时要有“甘坐冷板凳”的耐心。俞书宏团队的贝壳研究涉及化学、材料、生物、力学、工程学等多个学科领域,参与研究的硕博连读生坚持了六七年才能使一项研究更完善。

当前,做好学科交叉研究面临不少挑战。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到跨学科的研究生。

为应对这些挑战,俞书宏建议,青年科研人员应该有做重要研究的意识。“如果只想‘安全’,找一些难度不大的课题,就不会得到真正的锻炼,也不可能成为一流的科学家。”他说。

冷劲松

智能材料结合人工智能,打造“上天”新材料

“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,学科交叉为创造在各种环境中可应用的复杂多层次结构提供了巨大潜力。”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,是热门学科的交叉领域。通过将智能材料和人工智能相结合,冷劲松团队开辟了形状记忆聚合物复合材料的“新赛道”。这种复合材料可对温度、湿度等的变化产生形状变化的响应。基于此制造的多个设施目前已进入太空。

以人造卫星为例,其通常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。由于一个雷管只能冲击一次,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而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。祝融号上可伸展两米长的自拍杆也利用这种智能材料制成,这些应用使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物智能材料应用于深空探测工程的国家。

冷劲松表示,通过多学科融合,抢占新一轮全球科技和产业竞争的制高点,机遇就在眼前。

《中国科学报》 (2023-08-25 第1版 要闻)
 
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