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【转载】青年女科学家奖得主段慧玲:向大自然借“力”  

2015-03-27 19:34:39|  分类: 明星、大碗 |  标签: |举报 |字号 订阅

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青年女科学家奖得主段慧玲:向大自然借“力”

青年女科学家奖得主段慧玲:向大自然借“力” - 月月 - 阳光月月(新博客)

 

■本报记者 彭科峰

可以说,是一种执着的精神成就了今天“荣誉等身”的段慧玲——2012年,她获得国家杰出青年科学基金,2014年获得长江学者特聘教授。她还获得第12届中国力学学会青年科技奖。近日她又荣获了第十一届“中国青年女科学家奖”。

从飞机的复合材料,到水下舰艇的力学问题,北京大学工学院力学与工程科学系研究员段慧玲的研究方向可谓“上天入海”。

这位第十一届“中国青年女科学家奖”获得者这些年来成就斐然——她在表面弹性力学理论、非均质材料力学和物理性能的预测、纳米尺度弹性理论、薄膜异质结构力学等方面取得了重要成果;她还发展了纳米尺度的表面弹性理论和复杂形貌表面应力理论,建立了预测具有多种界面效应的复合材料等效力学性能和热传导性能的细观力学框架,在国际上得到很好的评价和影响。

鲜为人知的是,段慧玲曾经是一名石油系统的工程师。从工程师到科学家的华丽转身,这在很大程度上,要归结于她追求挑战的性格。“生命的精彩,就在于不断探索未知的事物。相较于工程问题,我更加喜欢基础研究。”在接受《中国科学报》记者采访时,段慧玲这样表示。

华丽转身

神奇的大自然总是源源不断地馈赠给人类智慧和灵感,就像所有的蜂巢都拥有统一的建造角度和模式,正六角形房孔、相邻的房孔共用一堵蜡和丝制造的墙、孔底由三个完全相同的菱形组成——这不仅非常节省建筑材料,并且具有极佳的结构稳定性。

在精巧的蜂窝结构启示下,2005年,全球首架全复合材料飞机就使用了蜂窝状的碳纤维层合板,这种新型结构在保证强度和刚度的前提下,使飞机的重量减轻了一半。这些自然的奥妙令兼具科学家与工程师双重身份的段慧玲颇为着迷,她不断从自然界中汲取启迪,希望研究出更好的人工材料。

为了满足飞机在飞行中一系列苛刻的要求,工程师通常会在复合材料中添加涂层,那么选用何种涂层材料、涂层厚度怎样确定、涂层会对材料特性带来哪些影响,所有这些关键问题的答案首先需要科学家的深刻认识与理论阐释,而答案来自段慧玲——她建立了一套理论体系,来分析和解答这类问题。

“我们不能总是依靠多次尝试后的偶然发现,知其然不知其所以然不是科学”,段慧玲的初衷很简单,而唯有精细的分析和严密的推理,才能真正帮助人们从经验主义迈向科学精神。

科学与技术的完美融合,以理论研究推动工程应用,正是她所津津乐道的力学学科的乐趣——这也是为什么段慧玲要从一位工程师向科学家转变。

1987年,段慧玲考入东北地区的某石油系统的高校,攻读和机械工程相关学科。本科毕业后,她进入石油系统工作数载,后来又再度回到母校完成了研究生学位。

其实毕业后的工作也不错,在自己驾轻就熟的领域已开始有所成,车子、房子也已经拥有。但她一直觉得日子太过按部就班,“每天都干着差不多的事情,我好像能够看到我以后的生活”。

出于这种强烈的冒险精神和更强烈的求知欲望,她毅然辞掉工作并将一切铅华洗尽,回归阔别已久的校园开始自己情有独钟的基础性研究。

2001年,她考入北京大学固体力学专业攻读博士。此后,她远赴海外继续学业,并于2007年12月回到北京大学工学院工作。

越过山峰

回忆过往,段慧玲表示,攻读博士学位的过程对她而言,却更像越过一座又一座令人望而生畏的“山峰”。

那时候的她不仅在年龄上比同班同学大5到6岁,起步时还因为听不懂导师讲的专业知识而焦急到无法入睡。倔强不服输的段慧玲因此整日穿梭于教室和图书馆,恶补专业知识、阅读更多的书籍、做更多的公式推导和计算,以一种不为任何外界事物所打扰的专注,在一次又一次挑战中完成对自我的超越。段慧玲在博士期间发了多篇高质量的论文,成为了力学系历史上第一个获得全国百篇优秀博士论文的毕业生,也是北京大学那一年理工科博士生中该奖的唯一获得者。

2005年,博士毕业后,她拿到了英国皇家学会的博士后基金,去英国卡迪夫大学做博士后研究,后来又拿到德国的洪堡学者,到德国卡尔斯鲁厄研究中心纳米技术所工作了一段时间。她一直以超乎常人的高标准要求自己,“我希望自己能在短时间内作出更好的成果,来弥补之前耽误的学习时间”。

在英国做博士后的时候,段慧玲依然早出晚归,以至那些英国同事很困惑地对她讲:“我们晚上走的时候你在,早上来的时候你还在。你是不是天天睡在地毯上?”

对于一些科研人员在海外学习时普遍遇到的语言问题,段慧玲坦言,因为自己原来的基础“还不错”,所以看文献、写论文、普通的交流都没问题,“但在口语方面,还是做不到像用中文这样,可以很清楚地、很细节地表达自己的想法”。

在德国学习时,当地曾经提供机会让她免费学德语。但她当时并没有学习,“因为那时候我觉得半年的时间太浪费。当然,现在看来目光有点太短浅”。让她印象比较深刻的是,德国老百姓的英文都很好,大学的学者交流时也普遍用英文交流。

可以说,是一种执着的精神成就了今天“荣誉等身”的段慧玲——2012年,她获得国家杰出青年科学基金,2014年获得长江学者特聘教授。她还获得第12届中国力学学会青年科技奖。

投身基础

相较于一些科研人员热衷于从事国际热门领域、实用性的研究,段慧玲坦言,自己更加喜欢基础研究。

对于自己目前从事的力学基础研究,她认为,要善于从自然界中学到一些东西,比如说天然蜂房,它已经进化了很多年了,才形成今天的样子,实际上人类就是用从自然中学到的东西指导工程。“力学是科学和工程的统一体。”

在段慧玲看来,唯有通过精细的分析和严密的推理,将科学理论与应用技术完美融合,才能真正帮助人们从经验主义迈向科学精神。

此前,段慧玲在飞机的复合材料的力学研究上,花费了不少心血,也取得不小的成果。她和同事主要研究的是复合材料的强度和刚度。用于飞机制造业的材料,其中一个重要的因素就是尽可能减轻重量。因此,她的研究就是要在复合材料重量轻的情况下,保证其较大的强度和刚度,并防止出现裂纹。

目前,世界上最先进的民用飞机,如波音787、空客A350在复合材料的应用上都超过了整个机体材料的50%。但是制造商在复合材料的应用方面仍然比较谨慎。段慧玲指出,目前复合材料已经可以部分替代飞机上的金属材料了,但是不可能全部替代。比如一些大的受力结构或者核心部件,将来的飞机发动机肯定使用的还是钢材。

“比如一架飞机飞了100天,需要检查有没有出现缺陷或者裂纹,否则时间长了就会产生安全隐患。过去我们可以通过各种方法对金属材料进行检查。但是对于复合材料而言,目前尚没有很好的方法对其进行检查。”段慧玲指出,这是因为钢材是一种均匀材料,出现裂缝可以判断出来。但是复合材料则是一些纤维,由很多层叠合而成,是一个非常复杂的结构,里面出现一些小的缺陷是很难被发现的。因此,希望未来科学家能够找到好的方法来检测复合材料。

近来,她的研究兴趣集中在两方面,一个方面关注核反应堆的材料,另外一个方面是水下运行物体的关键力学问题。

对于中外科学研究的差异,段慧玲认为,在科学研究方面,“中国做的时间还短,需要一个过程去赶上人家。咱们一直在加速做,但是还需要时间。另外管理上还存在很大的问题,实际上中国做材料的学者发的文章不比国外差,理论上并不差,但是到了生产、投产的环节就不行,很多技术、产品没有从实验室走出来。”她坦言,基础研究十分重要,中国实际上有很多基础科学问题没有解决,“要做一个东西,首先要解决基础理论,解决基本的科学问题,然后再按照解决问题的方案来设计。归根结底,工程上的多次尝试和经验不能代替基础研究”。

展望未来,段慧玲坦言,目前,中国制造业工艺的规范、规程等,相较国外都存在一些问题,“但我们要坚信,经过我们的努力,会逐渐消除这个差距,实现从‘中国制造’到‘中国创造’的转变”。

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