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中国科大这支科研团队90%都是90后 凭借“冷板凳”精神洞察“微观世界”

   日期:2020-12-15     来源:中国青年报    评论:0    
核心提示:“中国科大近代力学系计算力学实验室”团队在实验室的工作照。中青报·中青网记者 王海涵/摄  王奉超教授

“中国科大近代力学系计算力学实验室”团队在实验室的工作照。中青报·中青网记者 王海涵/摄

  王奉超教授在实验室。中国科技大学供图

近日,中国科学技术大学王奉超特任教授与诺贝尔物理奖得主、英国曼彻斯特大学安德烈·海姆(2010年诺贝尔物理学奖得主)教授团队合作,在纳米限域毛细凝聚研究方面取得了重要进展,成果于12月10日发表在国际著名学术期刊《自然》上。

在宏观尺度,当水蒸气在空气中的分压达到饱和蒸气压时,水开始凝聚;但当尺度减小,表面张力使气液界面弯曲,凝聚压强也发生变化,这一现象被开尔文方程定量描述。

在本项工作中,中国科大研究团队通过理论分析和计算模拟发现了在纳米限域毛细凝聚中,固液界面力学作用扮演了重要的角色,而不是人们普遍认为的液气界面。据此,他们修正了经典的开尔文方程,建立了纳米限域毛细凝聚的新理论,并将方程适用性拓展到亚纳米尺度。

王奉超介绍,该研究不仅为理解纳米限域毛细凝聚提供了关键的理论基础,且在微电子、制药、食品等行业具有非常重要的实际应用前景。

王奉超所在的团队名叫“中国科大近代力学系计算力学实验室”,主攻方向为“微纳结构材料力学行为和设计”“固液界面力学与限域传质”和“计算力学方法及应用”等。实验室学术带头人是中国科大工程科学学院执行院长吴恒安,团队20多人,90%都是30岁以下的青年研究生。

这是一支年轻的团队,但同样战功赫赫。近年来,实验室带头人吴恒安荣获高等教育国家级教学成果二等奖、宝钢优秀教师特等奖等,王奉超也先后入选中国科协青年人才托举工程和中科院青年创新促进会,并于2019年获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助。

值得一提的是,实验室与英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组合作延续了11年,研究成果已经有10篇文章发布于《自然》和《科学》正刊。

近日,中青报·中青网记者走进该实验室。力学方程、理论建模、程序设计、数据分析、模拟研究……这些外人眼中平淡冷门甚至枯燥无聊的名词,却是该团队日复一日、孜孜不倦的科研追求,也是这帮年轻人勇攀科研高峰的根基源泉。

“每个科研成果都要熬上几年”

科研赛道上,比拼的是毅力和坚持,这背后,离不开科研兴趣这一重要驱动力。

王奉超回忆,上述研究在2016年就已开展。2017年5月,论文合作者找到自己,想寻求二维材料模拟支持,构筑搭建毛细通道。王奉超做了几个月都没有进展,心里也没底,一直琢磨如何攻克难题。

王奉超一直有个习惯,躺在床上想idea,经常半夜醒来,想一段时间,再去睡觉。2018年年初的一天夜里,他突然想到了一个方案,赶紧爬起来将思路写下来,后经团队反复修改,又花几个月整理文字和制图,最终论证成功,也为今年文章的发表奠定了基础。

在别人看来,王奉超的生活很单调,“发发文章、上上课”,过着一眼能看到退休的生活。“但是,每当想到一个解决问题的关键idea,那种刺激的兴奋感会持续很多天,甚至好几天睡不着觉”。王奉超坦言,回忆自己的科研之路,这种兴奋感和疲惫感、困惑感是交替出现的。

2003年,王奉超来到中国科大理论与应用力学专业读本科。大二时,他就一头扎进了学校实验室,跟着师兄听课。当时,他模拟分析了化工容器里的气体流动,通过模型计算,让气体混合得更均匀,他觉得“挺好玩的”,从此喜欢上了模拟实验。

大学期间,王奉超还和志同道合的网友交流,学习软件源代码程序,提高模拟计算水平。“网友的帮助让我感触很深,甚至有人从头到尾教我写代码,我决心要学会这个,教会更多人”。

2010年,王奉超攻关一项固体表面液滴动力学研究,测算两个液滴合并弹起的速度,好几个月都没突破,陷入了瓶颈期,他没有因此放弃。

一年以后,他突然灵光一现,意识到不光是表面能影响研究结果,还有黏性耗散的影响,随后成功发表论文。那一年,他觉得,自己才算真正和科研沾上边儿。

2012年6月,成为博士后的王奉超进入吴恒安的实验课题组,他也慢慢成长起来。“我是个追求完美的人,有时看到一些经典力学方程在实际应用中有缺陷,就会十分着急,总想着给方程加一个修正项,让方程应用性更全一些,这逼着我不断探索求知”。

这些年来,王奉超早已习惯用半年或更长时间做重复的事情。“每个科研成果都要熬上几年,甚至好多次把之前的成果推倒重来。”他觉得,这是提升科研实力、消化吸收知识的过程。

“科研之旅,支撑前行的就是兴趣,要有耐心和试错的勇气,哪怕走到死胡同,也不要觉得浪费时间,每次失败都是财富。”35岁的王奉超感慨,科研就像爬山,一座山后面还有更高的山,挑战会越来越大,目光要更放长远,找到奋斗的方向。

“理论和实验是平等的”

除了怀揣浓厚的科研兴趣,在坚守和奋斗中找到新思路、发现新问题,也是该团队的共同特质。实验室带头人吴恒安的科研之路就是不断创新、发现之路。

吴恒安回忆,2009年的一天,他给英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授写信,想去其组里做访问研究。“当时,安德烈教授向全世界招募科研人员,研究石墨烯在各个领域的特性。第二天早上,他就回了一封长长的信给我,因为我有力学研究背景,希望我去帮他完成交叉学科研究”。

随后,吴恒安与安德烈教授课题组合作,利用氧化石墨烯制作出一种新型隔气透水材料。该材料神奇之处在于,绝大多数液体和气体都无法通过它,但水蒸气可以畅通无阻。

吴恒安介绍,那次实验中,团队发现水蒸气能够通过该材料,但有了结果,却不清楚科学原因,海姆教授就让吴恒安用力学原理来解释这种现象。

吴恒安按宏观模型的思路去推导,半年后,发现研究思路不对。但在一次次失败和试错中,他反而提炼出一个新的理论:蒸发和毛细联合驱动水定向输运。

“我必须要把它搞清楚,发现其中的科学机理。”经过日夜鏖战,吴恒安设计了全新的实验方案,验证了提出的新理论的科学性。

上述研究成果刊登在2012年1月27日的《科学》杂志上,在国际学术界引起巨大反响。之后,吴恒安和安德烈教授开始长期合作,安德烈教授团队负责实验,吴教授团队负责建模解释实验结果。

这次科研也给了吴恒安新的启发:实验和理论是平等的,二者要结合,互相支撑,理论不只是为了解释实验结果,也可以指导实验。

沿着这一思路,2016年10月13日,吴恒安教授团队与海姆教授团队在石墨烯纳米通道水输运方面取得重要研究进展,合作成果发表在《自然》上。吴恒安团队采用理论分析和分子模拟研究纳米通道中的水传输机理,发现固液界面力学作用对纳米流动行为具有决定性影响,为纳米尺度物质输运提供了新的平台和思路。

科研是“共同体”,团队以学生为中心

45岁的吴恒安至今记得,27年前,自己被中国科大录取时的情景:高考前填报志愿,他没见过招生老师,没有网络,连电话都没有。直到接到乡村邮递员递来的信封的那一刻,他才知道自己被中国科大录取。那份狂喜永生难忘。

他一直珍藏着那本漂亮的红色录取通知书。因为那代表他18岁的初心——努力攀登科学技术高峰。吴恒安在科大以优异的成绩完成本科到博士的学业,获得了中国科学院院长奖,十几年来,他也将自己大部分时间投入到学生培养中。

他始终坚信,科研是一个“共同体”,每个人、每个环节都很重要。团队要有共同的志向和价值观,追求学术卓越和突破,教学相长。“要给学生机会,为他们创造环境,尊重每个人的观点,让每个人都有发挥空间”。

实验室主要设有3个研究方向,导师习惯和学生待在一起,挤在一个小办公室里讨论问题,一聊就是一整天。老师们经常发现,饭后学生们又聚在电脑旁边讨论问题。

每年,实验室有学生毕业,会统一在学校附近咖啡馆举办送别活动。除了常规的道别、感谢环节,毕业生一定会和师弟师妹们说道说道科研的心得、建议,以及克服困难的经验,把科研真经传授下去。

“团队中,学生甚至要学习很多物理、化学、英语知识,克服交叉研究中的困难。有时,一年可能出不了几篇文章,但是大家坚信,所做的研究是有意义的。”在吴恒安看来,科研过程中,每天都在面对困难,没有困难,科研就没有意义,做科研,就是为了挑战困难,定力很重要。

“我还经常鼓励学生,不光要埋头做研究,要经常切磋,通过组会报告、参加学术会议等方式来锻炼沟通交流能力。”吴恒安告诉记者。

如何看待成果转化

一路走来,很多人时常向吴恒安问道:“做研究有什么用?”

“别人没有发现的,我们发现了,这是做‘全世界第一个人’的成就感。发表的成果也能为别人所用,是我们的职业要求。”他说。

有几次,一篇文章发表之后,很多企业打电话来表示要投资其中的成果,但吴恒安觉得,科学理论到技术应用要有一个过程,不可能立马落地。“科研不是为了今天和明天,而是为了后天!”

也有人觉得,“做科学就是为了技术应用,就是为了挣钱。”但吴恒安认为,作为青年科研工作者,在当下自由探索的环境和条件下,应该更加热爱事业,潜心科研,不能稍有成果,就把精力转移到项目如何产业化上。待到各方面时机成熟,成果转化自然水到渠成。

近年来,正是在雄厚的理论研究基础上,该实验室和中石油勘探院、大庆油田等单位合作,研究增产措施。近年来,吴恒安的纳米限域传质研究派上了大用场。简单来说,当油藏岩石孔隙尺寸到了纳米级别,如何进行有效的油气开采,就要运用纳米通道物质输运的微观力学机理。

“我们的科研成果服务于非常规油气开采研究,这是有挑战性的技术突破,变革了新的开采方案,降低开采成本。”吴恒安说,由此可见,科研并非“无用”,科学的前沿和国家的需求是相关的,国家存在一些研发瓶颈,总需要有人去做基础研究,进而一步步突破关键科学问题。

对此,他常告诫学生:“有些研究感觉离我们很远,但其实是我们生活中必不可少的。只有研发出高水平成果,转化才有意义,科研板凳要坐十年冷。”

王奉超也持相同观点。他觉得,年轻科研者不要一味为了发文章而“追热点”,科研也是训练解决难题、培养团队协作能力的过程。只要坚持,总会在某个领域“挖到矿”。(记者王海涵 王磊 通讯员 范琼)

 
 
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