自21世紀以來，諾貝爾獎跨學(xué)科成果占半數(shù)以上。交叉科學(xué)已經(jīng)成為科學(xué)研究范式變革的一個重要基礎(chǔ)，學(xué)科交叉融合不但形成了前沿研究熱點，還成為諸多領(lǐng)域顛覆性技術(shù)的重要源頭。
如何做好學(xué)科交叉研究？在近日舉辦的首屆2023北京交叉科學(xué)大會上，《中國科學(xué)報》記者記錄了丁文江、俞書宏、冷勁松3位院士的科研故事和心得。
丁文江
從桑塔納變速箱到固態(tài)儲氫車，學(xué)科交叉產(chǎn)生優(yōu)越材料
“不同學(xué)科互相契合，最終互相成就。”丁文江認為這是學(xué)科交叉的應(yīng)有之義。
從參與研制1983年第一輛“桑塔納”轎車里的變速箱外殼至今，中國工程院院士、上海交通大學(xué)教授丁文江研究輕型合金材料已整整40年。從鎂材料出發(fā)，從產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)尋找學(xué)科交叉著力點，他和團隊的研究成果“多面開花”——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)等各個領(lǐng)域。
鎂是地殼中豐度排名第八的元素，中國金屬鎂產(chǎn)量約占世界的90%。“我們可以充分地利用這一優(yōu)勢資源。”丁文江在主旨報告中說。但開發(fā)利用這種質(zhì)地輕、化學(xué)活性大的輕金屬仍存在瓶頸，如結(jié)構(gòu)強度低、容易燃燒、壽命較短。
上世紀80年代，丁文江開始與鎂材料打交道。彼時，在推進國產(chǎn)桑塔納轎車下線的過程中，上海第一汽車附件廠發(fā)生了一次燃燒事件。受邀尋找問題的丁文江發(fā)現(xiàn)，車上的兩個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)帶來了阻礙。
此后，他和團隊通過將鎂與稀土元素結(jié)合，開發(fā)了新型阻燃鎂合金，將鎂的燃點和強度提高了1倍、壽命提高了3倍。這不僅解決了當時變速箱的問題，還使得我國高速武裝直升機、反艦導(dǎo)彈等“國之重器”的相關(guān)產(chǎn)品性能得到極大提升。
目前，綠色氫能利用過程中的儲運技術(shù)是全球面臨的挑戰(zhàn)。氣態(tài)氫極易發(fā)生燃燒和爆炸，非常不利于儲運；液態(tài)氫儲運則要攻克持續(xù)在零下253攝氏度條件下儲運的容器難題，還要解決穿透性、滲透力很強的氫分子密閉問題。
經(jīng)過測試，他們發(fā)現(xiàn)采用固態(tài)儲氫方式，可實現(xiàn)每立方米110公斤氫儲存，遠超用高壓氣態(tài)和低溫液態(tài)方式儲存的氫氣量，后兩者分別為每立方米儲氫14.4公斤和70公斤。目前，他們已經(jīng)設(shè)計出可以儲存1.5噸氫氣的世界首臺標準化鎂基固態(tài)儲氫車。
“現(xiàn)在，路上跑的40多噸的儲運車大都只能裝250公斤到300公斤液態(tài)氫，由此可見，通過學(xué)科交叉可以產(chǎn)生一些非常優(yōu)越的材料。”丁文江說。
該團隊還在嘗試將鎂研究與其他學(xué)科結(jié)合，拓寬應(yīng)用邊界。如提高無人機續(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)量并改善口感等。
俞書宏
用眼光和耐心長期鉆研，司空見慣的材料也能產(chǎn)出重要成果
作為一名無機合成化學(xué)專家，碳酸鈣是中國科學(xué)院院士俞書宏團隊研究最多的一種無機礦物，其化學(xué)組分相對簡單，如貝殼、骨骼中大約有95%~96%的成分是碳酸鈣和羥基磷酸鈣。
但對于學(xué)生來說，長時間研究一種材料便會產(chǎn)生倦怠心理。“別人都在做功能材料，碳酸鈣沒有任何功能，能不能換個材料？”有學(xué)生問他。
俞書宏的回答是，“科研需要眼光與耐心”。
他認為，司空見慣的碳酸鈣背后也有尚未回答的重要科學(xué)問題：比如為什么自然界的碳酸鈣較大，而實驗室里做出來的都是微納級粉末？能不能做出大塊的碳酸鈣？
俞書宏的很多科研靈感來自大自然，貝殼就是其中之一。2016年，通過多學(xué)科交叉，俞書宏團隊模仿天然珍珠母的“砌墻式”策略，在國際上首次成功礦化合成了人工珍珠母材料。其合成時間僅需兩周左右，遠短于天然珍珠母長達數(shù)月的形成周期，且力學(xué)強度和韌性都能提升到更高水平。這一方法有望推廣至骨骼等生物醫(yī)用材料的制備方面，并獲得重要應(yīng)用。
人工貝殼雖然能夠制造出來，但與貝殼相關(guān)的科學(xué)問題并未解決。貝殼折扇區(qū)的鉸鏈在整個生命周期會開合150萬次以上，這種表面看起來非常堅硬的材料如何形成優(yōu)越的抗疲勞和韌性性能？俞書宏團隊進一步研究發(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，這將有助于開發(fā)富有韌性與力學(xué)強度的生物陶瓷等新型材料。
這兩項研究先后發(fā)表于《科學(xué)》，并獲得同行高度評價。在俞書宏看來，做好交叉科學(xué)研究要有更強的創(chuàng)新意識、找到關(guān)鍵的科學(xué)問題或瓶頸，同時要有“甘坐冷板凳”的耐心。俞書宏團隊的貝殼研究涉及化學(xué)、材料、生物、力學(xué)、工程學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，參與研究的碩博連讀生堅持了六七年才能使一項研究更完善。
當前，做好學(xué)科交叉研究面臨不少挑戰(zhàn)。俞書宏在接受《中國科學(xué)報》采訪時認為，培養(yǎng)真正的跨學(xué)科人才仍是一個難題。一方面，大多數(shù)本科教育屬于“通識教育”，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充扎實的跨學(xué)科知識。另一方面，不同于歐美國家導(dǎo)師擁有自主招生權(quán)可在不同專業(yè)進行跨學(xué)科招生，國內(nèi)的學(xué)科招生和學(xué)位授予壁壘很難讓一位導(dǎo)師招到跨學(xué)科的研究生。
為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，俞書宏建議，青年科研人員應(yīng)該有做重要研究的意識。“如果只想‘安全’，找一些難度不大的課題，就不會得到真正的鍛煉，也不可能成為一流的科學(xué)家。”他說。
冷勁松
智能材料結(jié)合人工智能，打造“上天”新材料
“古希臘哲學(xué)家赫拉克利特說，唯一不變的是變化本身。材料是世界的物質(zhì)基礎(chǔ)，學(xué)科交叉為創(chuàng)造在各種環(huán)境中可應(yīng)用的復(fù)雜多層次結(jié)構(gòu)提供了巨大潛力。”中國科學(xué)院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院院長冷勁松說。
人工智能作為底層技術(shù)，是熱門學(xué)科的交叉領(lǐng)域。通過將智能材料和人工智能相結(jié)合，冷勁松團隊開辟了形狀記憶聚合物復(fù)合材料的“新賽道”。這種復(fù)合材料可對溫度、濕度等的變化產(chǎn)生形狀變化的響應(yīng)。基于此制造的多個設(shè)施目前已進入太空。
以人造衛(wèi)星為例，其通常采用的剛性太陽能帆板需要在衛(wèi)星升空后用雷管炸開螺栓，再用彈簧將帆板彈開。由于一個雷管只能沖擊一次，一旦炸不開螺栓，衛(wèi)星就會因為缺電而失效。這種方法還可能導(dǎo)致爆炸過度而損害衛(wèi)星復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)。
“形狀記憶復(fù)合材料可以做成一個鉸鏈，在衛(wèi)星升空過程中處于鎖緊狀態(tài)，升空后加熱伸直，然后自動剛化，提供力學(xué)承載力。”冷勁松介紹，目前基于這一思路制造的柔性太陽能帆板已用于2019年發(fā)射的實踐二十號衛(wèi)星。
同時，在我國首次火星探測任務(wù)中，以這種形狀記憶復(fù)合材料為基礎(chǔ)制造的中國國旗于2021年在祝融號著陸器上實現(xiàn)可控動態(tài)展開。祝融號上可伸展兩米長的自拍桿也利用這種智能材料制成，這些應(yīng)用使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能材料應(yīng)用于深空探測工程的國家。
冷勁松表示，通過多學(xué)科融合，搶占新一輪全球科技和產(chǎn)業(yè)競爭的制高點，機遇就在眼前。
來源:《中國科學(xué)報》
