自21世紀以來，諾貝爾獎跨學科成果占半數以上。交叉科學已經成為科學研究范式變革的一個重要基礎，學科交叉融合不但形成了前沿研究熱點，還成為諸多領域顛覆性技術的重要源頭。
如何做好學科交叉研究？在近日舉辦的首屆2023北京交叉科學大會上，《中國科學報》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儲氫車，學科交叉產生優越材料
“不同學科互相契合，最終互相成就。”丁文江認為這是學科交叉的應有之義。
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、上海交通大學教授丁文江研究輕型合金材料已整整40年。從鎂材料出發，從產業挑戰尋找學科交叉著力點，他和團隊的研究成果“多面開花”——從交通領域不斷延伸到航空航天、能源、醫學、農業等各個領域。
鎂是地殼中豐度排名第八的元素，中國金屬鎂產量約占世界的90%。“我們可以充分地利用這一優勢資源。”丁文江在主旨報告中說。但開發利用這種質地輕、化學活性大的輕金屬仍存在瓶頸，如結構強度低、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，在推進國產桑塔納轎車下線的過程中，上海第一汽車附件廠發生了一次燃燒事件。受邀尋找問題的丁文江發現，車上的兩個鎂合金零件變速箱的殼體和殼蓋發生了燃燒，這給產品生產帶來了阻礙。
此后，他和團隊通過將鎂與稀土元素結合，開發了新型阻燃鎂合金，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、反艦導彈等“國之重器”的相關產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是全球面臨的挑戰。氣態氫極易發生燃燒和爆炸，非常不利于儲運；液態氫儲運則要攻克持續在零下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。
經過測試，他們發現采用固態儲氫方式，可實現每立方米110公斤氫儲存，遠超用高壓氣態和低溫液態方式儲存的氫氣量，后兩者分別為每立方米儲氫14.4公斤和70公斤。目前，他們已經設計出可以儲存1.5噸氫氣的世界首臺標準化鎂基固態儲氫車。
“現在，路上跑的40多噸的儲運車大都只能裝250公斤到300公斤液態氫，由此可見，通過學科交叉可以產生一些非常優越的材料。”丁文江說。
該團隊還在嘗試將鎂研究與其他學科結合，拓寬應用邊界。如提高無人機續航能力，改善牛皮癬、癌癥等臨床藥物或療法的療效，提升農產品產量并改善口感等。
俞書宏
用眼光和耐心長期鉆研，司空見慣的材料也能產出重要成果
作為一名無機合成化學專家，碳酸鈣是中國科學院院士俞書宏團隊研究最多的一種無機礦物，其化學組分相對簡單，如貝殼、骨骼中大約有95%~96%的成分是碳酸鈣和羥基磷酸鈣。
但對于學生來說，長時間研究一種材料便會產生倦怠心理。“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月的形成周期，且力學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用材料的制備方面，并獲得重要應用。
人工貝殼雖然能夠制造出來，但與貝殼相關的科學問題并未解決。貝殼折扇區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越的抗疲勞和韌性性能？俞書宏團隊進一步研究發現，折扇區放射狀的碳酸鈣納米線排列結構非常關鍵，這將有助于開發富有韌性與力學強度的生物陶瓷等新型材料。
這兩項研究先后發表于《科學》，并獲得同行高度評價。在俞書宏看來，做好交叉科學研究要有更強的創新意識、找到關鍵的科學問題或瓶頸，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、材料、生物、力學、工程學等多個學科領域，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，做好學科交叉研究面臨不少挑戰。俞書宏在接受《中國科學報》采訪時認為，培養真正的跨學科人才仍是一個難題。一方面，大多數本科教育屬于“通識教育”，學科內容往往比較單一，成為一名真正的跨學科人才需要在研究生階段補充扎實的跨學科知識。另一方面，不同于歐美國家導師擁有自主招生權可在不同專業進行跨學科招生，國內的學科招生和學位授予壁壘很難讓一位導師招到跨學科的研究生。
為應對這些挑戰，俞書宏建議，青年科研人員應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家。”他說。
冷勁松
智能材料結合人工智能，打造“上天”新材料
“古希臘哲學家赫拉克利特說，唯一不變的是變化本身。材料是世界的物質基礎，學科交叉為創造在各種環境中可應用的復雜多層次結構提供了巨大潛力。”中國科學院院士、哈爾濱工業大學未來技術學院院長冷勁松說。
人工智能作為底層技術，是熱門學科的交叉領域。通過將智能材料和人工智能相結合，冷勁松團隊開辟了形狀記憶聚合物復合材料的“新賽道”。這種復合材料可對溫度、濕度等的變化產生形狀變化的響應。基于此制造的多個設施目前已進入太空。
以人造衛星為例，其通常采用的剛性太陽能帆板需要在衛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，衛星就會因為缺電而失效。這種方法還可能導致爆炸過度而損害衛星復雜的機械結構。
“形狀記憶復合材料可以做成一個鉸鏈，在衛星升空過程中處于鎖緊狀態，升空后加熱伸直，然后自動剛化，提供力學承載力。”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年發射的實踐二十號衛星。
同時，在我國首次火星探測任務中，以這種形狀記憶復合材料為基礎制造的中國國旗于2021年在祝融號著陸器上實現可控動態展開。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，這些應用使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能材料應用于深空探測工程的國家。
冷勁松表示，通過多學科融合，搶占新一輪全球科技和產業競爭的制高點，機遇就在眼前。
來源:《中國科學報》
