自21世紀以來(lái)，諾貝爾獎跨學(xué)科成果占半數以上。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，學(xué)科交叉融合不但形成了前沿研究熱點(diǎn)，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(huì )上，《中國科學(xué)報》記者記錄了丁文江、俞書(shū)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(chē)，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?！倍∥慕J為這是學(xué)科交叉的應有之義。

從參與研制1983年第一輛“桑塔納”轎車(chē)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)挑戰尋找學(xué)科交叉著(zhù)力點(diǎn)，他和團隊的研究成果“多面開(kāi)花”——從交通領(lǐng)域不斷延伸到航空航天、能源、醫學(xué)、農業(yè)等各個(gè)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%?！拔覀兛梢猿浞值乩眠@一優(yōu)勢資源?！倍∥慕谥髦紙蟾嬷姓f(shuō)。但開(kāi)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，如結構強度低、容易燃燒、壽命較短。

上世紀80年代，丁文江開(kāi)始與鎂材料打交道。彼時(shí)，在推進(jìn)國產(chǎn)桑塔納轎車(chē)下線(xiàn)的過(guò)程中，上海第一汽車(chē)附件廠(chǎng)發(fā)生了一次燃燒事件。受邀尋找問(wèn)題的丁文江發(fā)現，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，他和團隊通過(guò)將鎂與稀土元素結合，開(kāi)發(fā)了新型阻燃鎂合金，將鎂的燃點(diǎn)和強度提高了1倍、壽命提高了3倍。這不僅解決了當時(shí)變速箱的問(wèn)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(guān)產(chǎn)品性能得到極大提升。

目前，綠色氫能利用過(guò)程中的儲運技術(shù)是全球面臨的挑戰。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(wèn)題。

經(jīng)過(guò)測試，他們發(fā)現采用固態(tài)儲氫方式，可實(shí)現每立方米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)設計出可以?xún)Υ?.5噸氫氣的世界首臺標準化鎂基固態(tài)儲氫車(chē)。

“現在，路上跑的40多噸的儲運車(chē)大都只能裝250公斤到300公斤液態(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)。

該團隊還在嘗試將鎂研究與其他學(xué)科結合，拓寬應用邊界。如提高無(wú)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(chǎn)品產(chǎn)量并改善口感等。

俞書(shū)宏

用眼光和耐心長(cháng)期鉆研，司空見(jiàn)慣的材料也能產(chǎn)出重要成果

作為一名無(wú)機合成化學(xué)專(zhuān)家，碳酸鈣是中國科學(xué)院院士俞書(shū)宏團隊研究最多的一種無(wú)機礦物，其化學(xué)組分相對簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)，長(cháng)時(shí)間研究一種材料便會(huì )產(chǎn)生倦怠心理?！皠e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”。

他認為，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較大，而實(shí)驗室里做出來(lái)的都是微納級粉末？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，貝殼就是其中之一。2016年，通過(guò)多學(xué)科交叉，俞書(shū)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(shí)間僅需兩周左右，遠短于天然珍珠母長(cháng)達數月的形成周期，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(lái)，但與貝殼相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題并未解決。貝殼折扇區的鉸鏈在整個(gè)生命周期會(huì )開(kāi)合150萬(wàn)次以上，這種表面看起來(lái)非常堅硬的材料如何形成優(yōu)越的抗疲勞和韌性性能？俞書(shū)宏團隊進(jìn)一步研究發(fā)現，折扇區放射狀的碳酸鈣納米線(xiàn)排列結構非常關(guān)鍵，這將有助于開(kāi)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(jià)。在俞書(shū)宏看來(lái)，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(wèn)題或瓶頸，同時(shí)要有“甘坐冷板凳”的耐心。俞書(shū)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(gè)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。俞書(shū)宏在接受《中國科學(xué)報》采訪(fǎng)時(shí)認為，培養真正的跨學(xué)科人才仍是一個(gè)難題。一方面，大多數本科教育屬于“通識教育”，學(xué)科內容往往比較單一，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(shí)的跨學(xué)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(zhuān)業(yè)進(jìn)行跨學(xué)科招生，國內的學(xué)科招生和學(xué)位授予壁壘很難讓一位導師招到跨學(xué)科的研究生。

為應對這些挑戰，俞書(shū)宏建議，青年科研人員應該有做重要研究的意識?！叭绻幌搿踩?，找一些難度不大的課題，就不會(huì )得到真正的鍛煉，也不可能成為一流的科學(xué)家?！彼f(shuō)。

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(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，學(xué)科交叉為創(chuàng )造在各種環(huán)境中可應用的復雜多層次結構提供了巨大潛力?！敝袊茖W(xué)院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院院長(cháng)冷勁松說(shuō)。

人工智能作為底層技術(shù)，是熱門(mén)學(xué)科的交叉領(lǐng)域。通過(guò)將智能材料和人工智能相結合，冷勁松團隊開(kāi)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(chǎn)生形狀變化的響應?；诖酥圃斓亩鄠€(gè)設施目前已進(jìn)入太空。

以人造衛星為例，其通常采用的剛性太陽(yáng)能帆板需要在衛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)雷管只能沖擊一次，一旦炸不開(kāi)螺栓，衛星就會(huì )因為缺電而失效。這種方法還可能導致爆炸過(guò)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(gè)鉸鏈，在衛星升空過(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)踐二十號衛星。

同時(shí)，在我國首次火星探測任務(wù)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(zhù)陸器上實(shí)現可控動(dòng)態(tài)展開(kāi)。祝融號上可伸展兩米長(cháng)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(gè)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(guò)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(diǎn)，機遇就在眼前。

來(lái)源:《中國科學(xué)報》