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整整四十年。從鎂材料出發(fā)，通過交叉科學研究，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(yī)學、農(nóng)業(yè)等各個領域。
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“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。
當前，以新興科學和強勢科學引領的交叉科學正在推動中國新產(chǎn)業(yè)、新經(jīng)濟呈現(xiàn)世界領先的態(tài)勢。在材料、能源、人工智能等領域，中國正在憑借自身的全產(chǎn)業(yè)鏈制造能力和全球最強的資源整合能力打造世界級智能工廠和消費大市場。
“交叉科學已經(jīng)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前沿研究熱點，催生新興交叉科學方向，還是諸多領域顛覆性技術的重要源頭。”在近日舉辦的首屆2023北京交叉科學大會上，北京交叉科學學會理事長、中國工程院院士周濟說。
面對產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)，尋找交叉著力點
“鎂是地球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%，可以充分地利用這一優(yōu)勢資源。”丁文江在大會主旨報告中說。
但這種質地輕、化學活性大的輕金屬的開發(fā)利用也存在瓶頸，如結構強度低、容易燃燒、壽命較短。
上世紀八十年代，丁文江開始與鎂材料打交道。彼時時，在推進國產(chǎn)桑塔納下線的過程中，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，丁文江和團隊通過將鎂與稀土元素結合，開發(fā)了新型阻燃鎂合金，將鎂的燃點和強度提高了一倍，壽命提高了三倍。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(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，解決穿透性、滲透力很強的氫分子密閉的問題。
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，遠超過用高壓氣態(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，路上跑的四十多噸的儲運車大都只能裝250公斤到300公斤的液態(tài)氫，由此可見通過學科交叉可以產(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科結合，拓展應用邊界。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)量和口感等。
“應對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，解決重要的科學問題越來越依賴于學科交叉。”中國工程院院士、北京工業(yè)大學校長聶祚仁舉例，我國實現(xiàn)雙碳目標時間遠少于歐美國家，而當前單位GDP碳排放總量仍遠高于歐美，面對經(jīng)濟發(fā)展的剛性需求，這將需要電力、能源、交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等各個領域的攻關。?
“比如一個產(chǎn)品從生態(tài)設計、工藝規(guī)劃、清潔生產(chǎn)、綠色包裝等全生命周期的關鍵核心技術，不能僅靠任何單一門學科，惟有交叉科學研究才可能突破研究與生產(chǎn)壁壘。”他說。油氣安全是我國能源安全的重要部分，今年我國一季度石油對外依存度高達74%，天然氣接近45%。“面對我國能源短缺和近年來資源品質下降的問題，實現(xiàn)地上和地下資源調(diào)查一體化十分關鍵。”中國工程院院士、中國石油勘探開發(fā)研究院教授劉合說。
他表示，數(shù)字化轉型實現(xiàn)一體化的核心。這需要深化地質和人工智能等領域的學科交叉，在數(shù)字化的基礎設施建設和推動科研模式轉變上下功夫，使不同專業(yè)的研究者在一個平臺下工作，深化產(chǎn)業(yè)協(xié)同。
開辟“新賽道”，需要眼光和耐心
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物，其化學組分相對十分簡單，如骨骼和牙齒中96%的成分是強基磷酸鈣或碳酸鈣。研究時間長了，一些學生產(chǎn)生了倦怠心理。
“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可以長得大，而實驗室里做出來的都是微納級的粉末？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，貝殼就是其中一個靈感源泉。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。其合成時間遠低于天然珍珠母長達數(shù)月的形成周期，僅需要兩周左右，且力學強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)學材料方法發(fā)揮重要作用。
人工貝殼能夠制造出來了，但與貝殼相關的科學問題并未結束。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？進一步研究中，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構非常關鍵，這將有助于開發(fā)富有韌性與力學強度的生物陶瓷等新型脆性材料。
這兩項研究先后發(fā)表于《科學》雜志，受到同行高度評價。在俞書宏看來，做好交叉科學研究要有更強的創(chuàng)新意識，找到關鍵的科學問題，才能做出“從0到1”的科研。同時，要有“甘坐冷板凳”的耐心。他和團隊的貝殼研究涉及化學、生物、力學、工程學、數(shù)理科學等多個學科領域，參與研究的碩博連讀生堅持了六七年才讓一項研究更完善。
據(jù)統(tǒng)計，諾貝爾獎百余年來，41%的成果屬于交叉學科，尤其是21世紀以來，跨學科成果占半數(shù)以上。“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，學科交叉為制造在各種環(huán)境中可應用的復雜多層次結構提供了巨大的潛力。”中國科學院院士、哈爾濱工業(yè)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，冷勁松團隊開辟出形狀記憶聚合物復合材料的“新賽道”。這種復合材料可通過溫度、濕度等產(chǎn)生形狀變化的響應。基于此制造的多個設施已進入太空。
以人造衛(wèi)星為例，通常其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。由于一個雷管只能用于一次性沖擊，一旦炸不開螺栓，衛(wèi)星就會因為缺電而失效。這種方法還可能導致爆炸過度損害衛(wèi)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(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(xiàn)可控動態(tài)展開，祝融號可伸展兩米長的自拍桿也是利用這種智能材料制成的，這些使我國成為世界上首個將形狀記憶聚合物智能結構應用于深空探測工程的國家。
以更開放的態(tài)度應對挑戰(zhàn)
不過，當前，做好學科交叉研究仍存在不少挑戰(zhàn)。
俞書宏在接受《中國科學報》采訪時認為，培養(yǎng)真正的跨學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”，學科內(nèi)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(yè)進行跨學科招生，國內(nèi)的學科招生和學位授予壁壘很難讓一位導師招生到跨學科的研究生。
排除這些挑戰(zhàn)，俞書宏認為，青年科研人員也需要有做重要研究的意識和學術品位。“如果只想‘安全起見’，找一些難度不怎么大的課題，那么將不會得到真正的鍛煉，也不可能成為一流的科學家。”他說。
“學科交叉隱藏著無數(shù)機遇，目前科學技術的發(fā)展已進入了一個大交叉時代，不同學科、研究方向的相互融合，是未來科學發(fā)展的重要方向。”周濟說。
作為國內(nèi)交叉科學領域首次大規(guī)模學術活動，首屆北京交叉科學大會以“交叉科學新時代”為主題，涵蓋生物制造、未來芯片、城市安全等近20個交流領域。周濟表示，這是中國交叉學科基礎科學發(fā)展和前沿技術成果展示的一次“大摸底”，更是一場立足科學交叉推動高質量發(fā)展、促進產(chǎn)學研用融合共生的“總動員”。
他寄語青年科學家，聚焦前沿熱點與當前緊迫性基礎難題，通過多學科融合，堅定自主研發(fā)，深研交叉科學，牢牢把握科技革命和產(chǎn)業(yè)變革新一輪發(fā)展機遇，積極通過創(chuàng)新成果轉化培育發(fā)展未來產(chǎn)業(yè)，搶占新一輪全球科技和產(chǎn)業(yè)競爭制高點。
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