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    勇攀科研的高峰

    中國科大新晉院士專訪

    發布時間:2019-11-28 作者:方夢宇 來源:中國教育新聞網

    11月22日,中國科學院2019年院士增選結果正式對外公布,中國科學技術大學陸夕雲、葉向東、楊金龍、俞書宏4位教授當選中國科學院院士。他們在科研曆程、治學之道以及教書育人等方面做出的成績,值得被再次書寫。

    陸夕雲:力學攀登者

    “陸”是腳下的陸地,“雲”是天上的白雲。就如他的名字,陸夕雲的目標是做“頂天立地”的科學研究。他把科研比作爬山,他告訴學生,要憑借熱情堅持多攀登幾座山峰,只有到了山頂才能領略風景獨好。

    遇見恩師童秉綱,陸夕雲覺得自己是幸運的。

    1985年,成績優異的陸夕雲被保送進入中國科大近代力學系,跟隨童秉綱院士攻讀研究生。力學廣泛地存在于自然界和工程領域中,是研究物質機械運動規律的科學,大到航天科技應用,小到基本粒子運動,都要用到力學知識。陸夕雲主攻的流體力學方向,是力學的一個分支,主要研究在各種力的作用下,流體運動狀態的變化以及流體與固體界面的相互作用規律。簡言之,就是研究空氣、水等流體介質如何運動和爲何運動的基礎學科。

    “法乎其上,得乎其中;法乎其中,得乎其下。”這是童秉綱先生對待學術研究的態度,也成爲陸夕雲的科研“指揮棒”:要實現原始創新的突破。

    科學研究的道路就像翻山越嶺,需要極大的毅力和長期的堅持。在流體力學領域,存在一個基本問題:如何從物體周圍的旋渦確定其受力的大小。百年來,流體力學的先驅們提出了流體作用力與旋渦關聯的概念和理論,但還是難以厘清主要旋渦的貢獻,限制了人們對物體受力的認識。

    陸夕雲提出了主控旋渦的概念和有限域渦量矩理論,有效地應用于實際問題的研究,突破了對物體受力的認知。這一發現對仿生應用領域具有重要作用,還可以應用于空中飛行器和水下航行器的研制。

    努力漸漸得到了回報:教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授;“國家傑出青年科學基金”獲得者;入選中國科學院“百人計劃”和教育部“跨世紀優秀人才計劃”;入選國家七部委組織實施的首批“新世紀百千萬人才工程”;國家自然科學基金委創新研究群體學術帶頭人、教育部創新研究團隊學術帶頭人。

    教師是立教之本、興教之源。陸夕雲每年都要和研究組的學生拍一張集體照,背景是他工作的中國科大力學樓,每張照片都整齊地展示在他的個人主頁上。

    陸夕雲很重視本科生和研究生的專業基礎課,因爲這是做科研的基礎。十幾年來,他和同事孫德軍教授堅持共同給本科生講授流體力學基礎課程。“上課是老師的天職”,既傳授了知識,也加深了自身對概念的認識。

    現任中國科大近代力學系教授的高鵬,是陸夕雲的學生。讀博士期間,他在領域內頂級期刊上發表了五篇論文,並獲得2010年全國優秀博士論文獎。

    因材施教、抓大放小,是陸夕雲指導研究生的原則。因爲擅長做理論研究,剛進研究室時,高鵬對流體力學計算研究方向不是很適應。陸夕雲鼓勵高鵬積極開拓,並選擇適合自己的研究課題。指導、交流、探討,不久後,高鵬在周期流動穩定性、界面穩定性等研究領域找到了方向,並取得優秀的研究成果。

    當年,童秉綱先生總是告誡學生們“比學習更重要的是做事,比做事更重要的是做人”,陸夕雲謹記心間。多年來,無論是治學、育人還是爲人,他都牢記這句教導。

    在中國科大西區力學樓陸夕雲的實驗室裏,有一株巴西木,兩米多高,根部紮實地長在直徑一米的陶土花盆裏,樹梢已經觸碰到屋頂,頂天立地、郁郁蔥蔥。

    葉向東:求索數學之美

    葉向東與數學結緣,並非偶然。

    回想中小學的學習經曆,葉向東認爲對自己影響最大的,是高中的一位數學老師。這位畢業于廈門大學的數學老師非常看重這個有天賦又勤奮的學生,經常單獨爲他開小竈進行輔導。

    1979年,時年16歲的葉向東參加高考,數學考試的最後一道題是證明勾股定理。得益于父親留下來的教材,他很輕松地用了幾種不同的證明方法去證明它。同年,他被中國科大數學系錄取,由此開啓了數學的研究之路。

    葉向東的辦公室有一面長5米高2米的黑板,上面寫滿了各種演算公式。三十多年的科研生涯,對葉向東來說是一個不斷探索——突破——再探索—再突破的螺旋式上升過程。

    历经多年不懈的努力,叶向东教授、黄文教授、邵松教授研究团队对动力系统的结构及逐点多重遍历定理、熵理论、复杂性层次等进行了深入系统的研究,获得了一系列研究成果。研究揭示了极小系统最大幂零因子产生的机制;证明了遍历distal系统的逐点多重遍历定理; 给出Furstenberg不交性问题的充分必要条件;引入拓扑Kolmogorov系统新定义并得到正熵系统新的刻画;证明了Devaney混沌蕴含Li-Yorke混沌等。

    科學研究就是一個不斷修正和調整的過程,他明白,做學問不能停。讀書時,葉向東就很努力。當年中國科大有兩個通宵教室,每天晚上教室裏都坐滿了學生,在那個特殊年代,大家都想把曾經被浪費掉的寶貴時光“搶回來”,如饑似渴地汲取知識。這些對葉向東來說是壓力也是動力。

    曾經,葉向東是“雙肩挑”,曆任數學系主任、理學院執行院長、中國科大副校長、黨委副書記,工作量很大。他的性格是,既然答應去做,就一定要盡全力。

    中國科大數學系是1958年由著名數學家華羅庚教授親自主持創辦,並任首任系主任,數學系早期由華羅庚、關肇直、吳文俊采用的“一條龍”教學方法被傳爲教學佳話。老一輩科學家熱愛科學、锲而不舍的奮鬥精神始終影響著葉向東。

    讓葉向東記憶猶新的是,當年在中國科大讀本科,數學分析的輔導老師在批改他的作業時,感覺演算方法看起來是正確的,但是仔細琢磨又覺得不對。爲此,老師從教研室跑到教室三趟,與葉向東探討,最終找出問題所在。

    不同導師對培養研究生的方式或有不同,普遍來說有兩種方式:一種放養式,一種保姆式。葉向東的風格介于兩者之間,在研究生培養的前期他深度參與,從選題的確定到論文字句的修改,事無巨細;後期則放手讓學生獨立做課題,在大方向上爲學生做指引。前期的指導很重要,因爲“若在做科研的前期遭遇太多困難和挫折,就會喪失自信心”;後期的放手也重要,因爲“科研必須要有獨立的過程,讓學生自己摸索,也是成長的過程”。

    桃李不言,下自成蹊。到目前爲止,葉向東已經培養了18名博士,其中2名分別獲得國家傑出、優秀青年科學基金資助;2名獲得全國優秀博士學位論文獎,3名獲得中國科學院優秀博士學位論文獎,1名獲中國科學院院長特別獎。如今,葉向東的學生們也在傳承科大老一輩數學家的精神,播撒數學種子,傳播數學之美。

    俞書宏:會變戲法的材料“魔術師”

    俞書宏喜歡自然界的礦物質和動植物,更喜歡琢磨它們的結構。無論是貝殼、珍珠,還是北極熊、爬山虎,都成了他的研究對象。“大自然本身就是一個神奇的魔術師,它能給材料設計帶來很多啓發。”俞書宏坦言,人類應該感恩大自然的啓示。

    受北極熊毛發中空結構的啓發,俞書宏團隊成功研制出一種新型輕質保溫隔熱材料,未來有望在建築和航空航天領域廣泛應用。模仿竹節的結構,他們團隊設計了一種“脈沖式軸向外延生長”方法,成功制備出納米“竹子”,這種新型半導體納米材料可以將太陽能制氫效率提高一個數量級,爲開發新型高效太陽能制氫材料提供了新途徑。

    实现仿生材料系列化,提升传统材料性能,是俞书宏一直努力的方向。近年来,他研究发现了聚合物和有机小分子模板对纳米结构单元的尺寸、形状、晶相的调控规律;建立人工仿生合成珍珠母、仿生聚合物木材、超弹性抗疲劳材料等多级结构材料的合成方法;提出的软-硬模板效应协同控制生长的机制,被成功用于宏量制备高质量纳米线和纳米电缆。近20年来,他3次荣获国家自然科学二等奖,其中2次是以第一完成人身份获奖。2018年,他还摘得安徽省重大科技成就奖。  

    “做科研一定要志存高遠,不能急功近利天天圍著‘帽子’‘票子’轉,要選擇適合自己的方向去創新,不能老跟著別人跑。”

    碳酸鈣在自然界隨處可見,很多人認爲沒啥可做,但俞書宏從2002年回到中科大工作後,一直在跟碳酸鈣打交道。

    “珍珠母是貝殼中的內層材料,與珍珠具有相似的組成和結構,通常含有95%以上的碳酸鈣。但這種碳酸鈣並不是傳統意義上的粉末,它形成了一種特殊的結構。”俞書宏透露,他的研究就是從一個側面來模仿貝殼、珍珠、骨骼等結構,制備出性能可以與自然界依靠生命體創造的材料相媲美的新材料。如今,這些從小小“碳酸鈣”中誕生的新材料,已在航空、航天、軍事、國防、民生等領域大展身手。

    “做科研的確辛苦,但真正感興趣,就會苦中有樂。只有興趣驅動的科研,才是最原汁原味的,也是最有推動力的。”俞書宏說,他從事科研的動力是源于對自然和科學的熱愛。“自然界給了人類非常多的啓發,給我們的創新提供了源泉。”

    早上7點多到實驗室,晚上快11點離開,這是俞書宏工作的常態。“你現在不缺科研經費,也不需要發論文,爲何還有這麽大的幹勁?”他的學生經常問。“我們拿了國家這麽多研究經費,必須爭分奪秒,要拿出有‘含金量’的東西來,回報國家和社會。”俞書宏表示。

    楊金龍:探尋分子世界的奧秘

    科技創新,就像撬動地球的杠杆,總能創造令人意想不到的奇迹。“從國家和社會發展來講,基礎研究是創新的源泉。”楊金龍坦言,對于從事量子化學理論研究的他來說,將更多成果送上“書架”是他的夢想。

    從1985年讀研算起,楊金龍在中科大學習和工作已有34年。從凝聚態物理研究,到量子化學研究,34年間,楊金龍始終與微觀世界的分子、原子打交道。

    中科大單分子科學團隊,是國際上著名的單分子團隊之一。楊金龍與侯建國院士正是這一團隊的領頭人,其中楊金龍負責理論方面的深度掘進,侯建國負責實驗部分的精耕細作。

    近年來,楊金龍在新型功能材料的理論設計與模擬、表面單分子量子行爲的表征與調控等方面取得一系列原創性成果,如成功實現單分子自旋態的控制等,在國內外産生重要影響。目前,他已發表SCI論文470余篇,其中3篇發表在《科學》上、4篇發表在《自然》上,相關成果3次入選“中國科技十大進展”。

    讓成果上“書架”或上“貨架”,是衆多科學家的使命。上“書架”就是“錢變紙”,做好原始創新。上“貨架”就是“紙變錢”,把成果用起來,變成産品。對于楊金龍而言,上“書架”與上“貨架”並不矛盾,兩者缺一不可。

    今年1月31日,國際頂級期刊《自然》報道一項重大成果:中科大路軍嶺、韋世強、楊金龍等人研發出一種新型催化劑,可以解除氫燃料電池一氧化碳“中毒休克”危機,有望加速氫能源汽車的民用推廣。

    零排放、零污染的氢燃料电池汽车,代表着未来新能源汽车发展的重要方向。但當前氢燃料电池所使用的氢气,通常含有0.5%至2%的一氧化碳。作为氢燃料电池汽车的“心脏”,燃料电池铂电极容易被一氧化碳杂质气体“毒害”,导致电池性能下降和寿命缩短,严重阻碍氢燃料电池汽车的推广。

    利用太陽光分解水制氫,爲人類提供清潔能源,被視爲化學的“聖杯”。楊金龍提出紅外光分解水制氫新思路,則大大擴展了太陽能轉化爲化學能中可利用的太陽光頻譜範圍,有望對未來新能源技術發展産生重要影響。

    “我的大部分研究都是力求讓成果上‘書架’。但另外一塊,用自己發展的方法來解決國民經濟相關技術難題,也是我們努力的重要方向。”楊金龍認爲,讓適合做基礎研究的人做基礎研究,更多的人要做好技術創新和成果轉化。

    科技创新、科学普及,是实现创新发展的两翼。在工作中,他不仅给本科新生上《科学与社会》课,而且参与该校中学生“英才计划”,给中学生讲科普,激发他们对科学的热爱。“把科学家的成果变成科普知识,及给老百姓传播,是科学家的义务。”杨金龙说。   

    在楊金龍看來,對未知世界的探索,是他最大的興趣。“探索全世界都沒人知道的事情,這本身很有挑戰性,但把它搞清楚了,會很有成就感、滿足感,這就是科研的原動力。”楊金龍表示,做科研要沈得住氣、能靜下心,做自己感興趣的事情。

    作爲中科大副校長,行政工作占據了楊金龍不少時間,但他樂在其中。“大學老師的工作,應該由教學、科研、服務三部分組成,這三者相輔相成。”楊金龍說,每個人都應該做些服務,這不僅對個人成長很有幫助,也爲科研團隊的組織提供了很好的經驗。

    近年來,楊金龍先後培養了40多名博士生。在學生心中,他始終是個溫和的人。“我的理念是給學生更多的自由,多跟他們交流、多多提問題,以此來激發他們的主動性和靈感。”楊金龍認爲,做基礎研究要打好紮實的基礎,培養良好的科研範式,要有批判性思維和敏銳的眼光,真正能抓住問題、解決問題,不能人雲亦雲。

    闲暇之余,杨金龙有一个特别的爱好——拍摄花朵。在他的微信朋友圈,隔段时间就能看到他的“新作”。通过拍摄花朵,他已经认识了400多种花。“科学就像花一样,是一种很美的东西。如果这种美的东西我不知道,我一定会想办法认识它、了解它。”杨金龙说。(中国教育新闻网记者 方梦宇 通讯员 刘爱华 桂运安)

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