從參與研制1983年第一輛“桑塔納”轎車(chē)?yán)锏淖兯傧渫鈿ぶ两瘢袊?guó)工程院院士、上海交通大學(xué)教授丁文江研究輕型合金材料整整四十年。從鎂材料出發(fā)，通過(guò)交叉科學(xué)研究，他和團(tuán)隊(duì)的研究成果“多面開(kāi)花”——從交通領(lǐng)域不斷延伸到航空航天、能源、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。
(相關(guān)資料圖)
“不同學(xué)科互相契合，最終互相成就。”丁文江認(rèn)為這是學(xué)科交叉的應(yīng)有之義。
當(dāng)前，以新興科學(xué)和強(qiáng)勢(shì)科學(xué)引領(lǐng)的交叉科學(xué)正在推動(dòng)中國(guó)新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟(jì)呈現(xiàn)世界領(lǐng)先的態(tài)勢(shì)。在材料、能源、人工智能等領(lǐng)域，中國(guó)正在憑借自身的全產(chǎn)業(yè)鏈制造能力和全球最強(qiáng)的資源整合能力打造世界級(jí)智能工廠和消費(fèi)大市場(chǎng)。
“交叉科學(xué)已經(jīng)成為科學(xué)研究范式變革的一個(gè)重要基礎(chǔ)，學(xué)科交叉融合不但形成前沿研究熱點(diǎn)，催生新興交叉科學(xué)方向，還是諸多領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的重要源頭?！痹诮张e辦的首屆2023北京交叉科學(xué)大會(huì)上，北京交叉科學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士周濟(jì)說(shuō)。
面對(duì)產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)，尋找交叉著力點(diǎn)
“鎂是地球地殼中豐度排名第八的元素，中國(guó)金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%，可以充分地利用這一優(yōu)勢(shì)資源?！倍∥慕诖髸?huì)主旨報(bào)告中說(shuō)。
但這種質(zhì)地輕、化學(xué)活性大的輕金屬的開(kāi)發(fā)利用也存在瓶頸，如結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、容易燃燒、壽命較短。
上世紀(jì)八十年代，丁文江開(kāi)始與鎂材料打交道。彼時(shí)時(shí)，在推進(jìn)國(guó)產(chǎn)桑塔納下線的過(guò)程中，上海第一汽車(chē)附件廠發(fā)生了一次燃燒事件，受邀尋找問(wèn)題的丁文江發(fā)現(xiàn)，車(chē)上的兩個(gè)鎂合金零件變速箱的殼體和殼蓋發(fā)生了燃燒，這給產(chǎn)品生產(chǎn)帶來(lái)了阻礙。
此后，丁文江和團(tuán)隊(duì)通過(guò)將鎂與稀土元素結(jié)合，開(kāi)發(fā)了新型阻燃鎂合金，將鎂的燃點(diǎn)和強(qiáng)度提高了一倍，壽命提高了三倍。這不僅解決了當(dāng)時(shí)變速箱的問(wèn)題，還使得我國(guó)高速武裝直升機(jī)、反艦導(dǎo)彈等“國(guó)之重器”的相關(guān)產(chǎn)品性能得到極大提升。
目前，綠色氫能利用過(guò)程中的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是全球面臨的挑戰(zhàn)。氣態(tài)氫極易發(fā)生燃燒和爆炸，非常不利于儲(chǔ)運(yùn)；液態(tài)氫儲(chǔ)運(yùn)則要攻克持續(xù)在零下253攝氏度條件下儲(chǔ)運(yùn)的容器難題，解決穿透性、滲透力很強(qiáng)的氫分子密閉的問(wèn)題。
經(jīng)過(guò)測(cè)試，他們發(fā)現(xiàn)采用固態(tài)儲(chǔ)氫方式，可實(shí)現(xiàn)每立方米110公斤氫儲(chǔ)存，遠(yuǎn)超過(guò)用高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)方式儲(chǔ)存的氫氣量，后兩者分別為每立方米儲(chǔ)氫14.4公斤和70公斤。目前，他們已經(jīng)設(shè)計(jì)出可以?xún)?chǔ)存1.5噸氫氣的世界首臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫車(chē)。
“現(xiàn)在，路上跑的四十多噸的儲(chǔ)運(yùn)車(chē)大都只能裝250公斤到300公斤的液態(tài)氫，由此可見(jiàn)通過(guò)學(xué)科交叉可以產(chǎn)生一些非常優(yōu)越的材料?！倍∥慕f(shuō)。
該團(tuán)隊(duì)還在嘗試將鎂研究與其他學(xué)科結(jié)合，拓展應(yīng)用邊界。如提高無(wú)人機(jī)續(xù)航能力，改善牛皮癬、癌癥等臨床藥物或療法的療效，提升農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和口感等。
“應(yīng)對(duì)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，解決重要的科學(xué)問(wèn)題越來(lái)越依賴(lài)于學(xué)科交叉?！敝袊?guó)工程院院士、北京工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)聶祚仁舉例，我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)時(shí)間遠(yuǎn)少于歐美國(guó)家，而當(dāng)前單位GDP碳排放總量仍遠(yuǎn)高于歐美，面對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的剛性需求，這將需要電力、能源、交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等各個(gè)領(lǐng)域的攻關(guān)。?
“比如一個(gè)產(chǎn)品從生態(tài)設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、清潔生產(chǎn)、綠色包裝等全生命周期的關(guān)鍵核心技術(shù)，不能僅靠任何單一門(mén)學(xué)科，惟有交叉科學(xué)研究才可能突破研究與生產(chǎn)壁壘?！彼f(shuō)。油氣安全是我國(guó)能源安全的重要部分，今年我國(guó)一季度石油對(duì)外依存度高達(dá)74%，天然氣接近45%?！懊鎸?duì)我國(guó)能源短缺和近年來(lái)資源品質(zhì)下降的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)地上和地下資源調(diào)查一體化十分關(guān)鍵?！敝袊?guó)工程院院士、中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院教授劉合說(shuō)。
他表示，數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)一體化的核心。這需要深化地質(zhì)和人工智能等領(lǐng)域的學(xué)科交叉，在數(shù)字化的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和推動(dòng)科研模式轉(zhuǎn)變上下功夫，使不同專(zhuān)業(yè)的研究者在一個(gè)平臺(tái)下工作，深化產(chǎn)業(yè)協(xié)同。
開(kāi)辟“新賽道”，需要眼光和耐心
作為一名無(wú)機(jī)合成化學(xué)專(zhuān)家，碳酸鈣是中國(guó)科學(xué)院院士俞書(shū)宏團(tuán)隊(duì)研究最多的一種無(wú)機(jī)物，其化學(xué)組分相對(duì)十分簡(jiǎn)單，如骨骼和牙齒中96%的成分是強(qiáng)基磷酸鈣或碳酸鈣。研究時(shí)間長(zhǎng)了，一些學(xué)生產(chǎn)生了倦怠心理。
“別人都在做功能材料，碳酸鈣沒(méi)有任何功能，能不能換個(gè)材料？”有學(xué)生問(wèn)他。
俞書(shū)宏的回答是：“科研需要眼光與耐心?！?/p>
他認(rèn)為，司空見(jiàn)慣的碳酸鈣背后也有尚未回答的重要科學(xué)問(wèn)題：比如為什么自然界的碳酸鈣可以長(zhǎng)得大，而實(shí)驗(yàn)室里做出來(lái)的都是微納級(jí)的粉末？能不能做出大塊的碳酸鈣？
俞書(shū)宏的很多科研靈感來(lái)自大自然，貝殼就是其中一個(gè)靈感源泉。2016年，通過(guò)多學(xué)科交叉，俞書(shū)宏團(tuán)隊(duì)模仿天然珍珠母的“砌墻式”策略，在國(guó)際上首次成功礦化合成了人工珍珠母材料。其合成時(shí)間遠(yuǎn)低于天然珍珠母長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的形成周期，僅需要兩周左右，且力學(xué)強(qiáng)度和韌性都能提升到更高水平。這一方法有望在骨骼等生物醫(yī)學(xué)材料方法發(fā)揮重要作用。
人工貝殼能夠制造出來(lái)了，但與貝殼相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題并未結(jié)束。貝殼折扇區(qū)的鉸鏈在整個(gè)生命周期會(huì)開(kāi)合150萬(wàn)次以上，這種表面看起來(lái)非常堅(jiān)硬的材料如何形成優(yōu)越的抗疲勞和韌性性能？進(jìn)一步研究中，最近他們發(fā)現(xiàn)，折扇區(qū)放射狀的碳酸鈣納米線排列結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，這將有助于開(kāi)發(fā)富有韌性與力學(xué)強(qiáng)度的生物陶瓷等新型脆性材料。
這兩項(xiàng)研究先后發(fā)表于《科學(xué)》雜志，受到同行高度評(píng)價(jià)。在俞書(shū)宏看來(lái)，做好交叉科學(xué)研究要有更強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)，找到關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題，才能做出“從0到1”的科研。同時(shí)，要有“甘坐冷板凳”的耐心。他和團(tuán)隊(duì)的貝殼研究涉及化學(xué)、生物、力學(xué)、工程學(xué)、數(shù)理科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，參與研究的碩博連讀生堅(jiān)持了六七年才讓一項(xiàng)研究更完善。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，諾貝爾獎(jiǎng)百余年來(lái)，41%的成果屬于交叉學(xué)科，尤其是21世紀(jì)以來(lái)，跨學(xué)科成果占半數(shù)以上。“古希臘哲學(xué)家赫拉克利特說(shuō)，唯一不變的是變化本身。材料是世界的物質(zhì)基礎(chǔ)，學(xué)科交叉為制造在各種環(huán)境中可應(yīng)用的復(fù)雜多層次結(jié)構(gòu)提供了巨大的潛力?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)冷勁松說(shuō)。
人工智能作為底層技術(shù)，是熱門(mén)學(xué)科交叉領(lǐng)域。通過(guò)將智能材料和人工智能相結(jié)合，冷勁松團(tuán)隊(duì)開(kāi)辟出形狀記憶聚合物復(fù)合材料的“新賽道”。這種復(fù)合材料可通過(guò)溫度、濕度等產(chǎn)生形狀變化的響應(yīng)?；诖酥圃斓亩鄠€(gè)設(shè)施已進(jìn)入太空。
以人造衛(wèi)星為例，通常其采用的剛性太陽(yáng)能帆板需要在衛(wèi)星升空后用雷管炸開(kāi)螺栓，再用彈簧將帆板彈開(kāi)。由于一個(gè)雷管只能用于一次性沖擊，一旦炸不開(kāi)螺栓，衛(wèi)星就會(huì)因?yàn)槿彪姸?。這種方法還可能導(dǎo)致爆炸過(guò)度損害衛(wèi)星復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
“形狀記憶復(fù)合材料可以做成一個(gè)鉸鏈，在衛(wèi)星升空過(guò)程中處于鎖緊狀態(tài)，升空后加熱伸直，然后自動(dòng)剛化，提供力學(xué)承載力?！崩鋭潘山榻B，目前基于這一思路制造的柔性太陽(yáng)能帆板已用于2019年發(fā)射的實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星。
同時(shí)，在我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)中，以這種形狀記憶復(fù)合材料為基礎(chǔ)制造的中國(guó)國(guó)旗??于2021年在祝融號(hào)著陸器上實(shí)現(xiàn)可控動(dòng)態(tài)展開(kāi)，祝融號(hào)可伸展兩米長(zhǎng)的自拍桿也是利用這種智能材料制成的，這些使我國(guó)成為世界上首個(gè)將形狀記憶聚合物智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測(cè)工程的國(guó)家。
以更開(kāi)放的態(tài)度應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)
不過(guò)，當(dāng)前，做好學(xué)科交叉研究仍存在不少挑戰(zhàn)。
俞書(shū)宏在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)認(rèn)為，培養(yǎng)真正的跨學(xué)科人才仍是一個(gè)難題。一方面，大多數(shù)本科教育屬于“通識(shí)教育”，學(xué)科內(nèi)容往往比較單一，成為一名真正的跨學(xué)科人才需要在研究生階段補(bǔ)充扎實(shí)的跨學(xué)科知識(shí)。另一方面，不同于歐美國(guó)家導(dǎo)師擁有自主招生權(quán)可在不同專(zhuān)業(yè)進(jìn)行跨學(xué)科招生，國(guó)內(nèi)的學(xué)科招生和學(xué)位授予壁壘很難讓一位導(dǎo)師招生到跨學(xué)科的研究生。
排除這些挑戰(zhàn)，俞書(shū)宏認(rèn)為，青年科研人員也需要有做重要研究的意識(shí)和學(xué)術(shù)品位?！叭绻幌搿踩鹨?jiàn)’，找一些難度不怎么大的課題，那么將不會(huì)得到真正的鍛煉，也不可能成為一流的科學(xué)家。”他說(shuō)。
“學(xué)科交叉隱藏著無(wú)數(shù)機(jī)遇，目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入了一個(gè)大交叉時(shí)代，不同學(xué)科、研究方向的相互融合，是未來(lái)科學(xué)發(fā)展的重要方向?！敝軡?jì)說(shuō)。
作為國(guó)內(nèi)交叉科學(xué)領(lǐng)域首次大規(guī)模學(xué)術(shù)活動(dòng)，首屆北京交叉科學(xué)大會(huì)以“交叉科學(xué)新時(shí)代”為主題，涵蓋生物制造、未來(lái)芯片、城市安全等近20個(gè)交流領(lǐng)域。周濟(jì)表示，這是中國(guó)交叉學(xué)科基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展和前沿技術(shù)成果展示的一次“大摸底”，更是一場(chǎng)立足科學(xué)交叉推動(dòng)高質(zhì)量發(fā)展、促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用融合共生的“總動(dòng)員”。
他寄語(yǔ)青年科學(xué)家，聚焦前沿?zé)狳c(diǎn)與當(dāng)前緊迫性基礎(chǔ)難題，通過(guò)多學(xué)科融合，堅(jiān)定自主研發(fā)，深研交叉科學(xué)，牢牢把握科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新一輪發(fā)展機(jī)遇，積極通過(guò)創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化培育發(fā)展未來(lái)產(chǎn)業(yè)，搶占新一輪全球科技和產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。
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