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2013年03月18日

巨永林:专心专注、专业专家

点击:[] 巨永林

■ 从事科研工作,一定要做到专心、专注、专业、专家。

■ 21世纪是信息、能源、材料、生命科学大放异彩的时代,而低温科学和工程技术作为其重要的支撑条件,蕴含着巨大的发展潜力和广阔的发展空间。

■ 实践是检验真理的唯一标准,工程科学与技术每一次进步都离不开实验数据的支持和验证,没有经过实验验证的想法、观点、结果都是井中月、水中花,也许炫丽好看,但没有任何价值。

■ 学生的培养,可以归结为三方面的能力培养和如何做人的培养。即发现问题(好奇心和想象力)、思考问题(方法和逻辑训练)和解决问题(基础理论知识和专业知识的学习和积累)的能力培养,以及符合社会公德的行为准则的培养。

从事科研工作的体会和感想

我自1992年攻读研究生开始,博士毕业后在荷兰、美国、中国一直从事低温科学及工程技术研究。近20年科研工作体会就是:从事科研工作,一定要做到专心、专注、专业、专家。所谓专心,就是要能定下心来,认真做事;所谓专注,就是要明确自己的人生目标,不为外界因素所影响;所谓专业,就是需要具备坚实的专业知识,要在自己的科研领域做到知己知彼,并有自己的想法和见解;所谓专家,就是要用一个专家的尊重科学、实事求是的态度来严格要求自己。

我从事的低温学就是研究低温的科学原理及工程技术,即如何获得和维持低温。我能够长期坚持从事低温科学与工程技术研究的动力来自于2方面:一是对低温科学的兴趣,二是低温技术的工程应用。

对低温研究的兴趣首先来自于我们人类生活的宇宙。夜晚,当我们仰望星空,我们能看到各种发光的星星(恒星、卫星、流星等),但我们看不到的是:宇宙空间的背景温度是2.7K(大约是零下270℃)。也就是说,我们生活在一个极低温的世界里。只不过由于大气层的保护,人类及各种动物、植物才能生活在地球上。一个多世纪以来。人类一直不懈的寻找地球之外的生命迹象,一个十分重要的判断依据是:温度环境是否适合生物体生存。既然人类就生活在一个低温的世界里,我们当然有必要、也有兴趣搞清楚这个冰冷的世界了。

对低温研究的兴趣也来自于日常生活中存在大量的低温现象。我们日常使用的水银温度计就是依据一定量水银的体积随温度的变化原理制作的一种温度计量仪器,即水银的体积在不同的温度下会发生变化。实质上,低温会使绝大多数材料的物理及化学性质发生许多根本变化。如无色无味的空气在零下196℃时会变成浅蓝色液体,很多材料,如塑料、橡胶、鲜艳的花朵放进液态空气(液氮)中会变成玻璃一样,轻敲会发出“叮当”声,重敲则会破碎。不但上述物质,金属也怕“冷”,低温时,很多金属的内部结构会变得松散,也就是一般所谓的“金属的冷脆现象”,包括锡,铝、镁甚至钢铁也都怕冷。只有金属铜和一些合金(如铝合金、钛合金等)不怕低温。所以对于低温设备,如盛液态空气,常使用金属铜或铝合金作容器。

对低温研究的兴趣还来自于低温下各种奇妙的物质现象。自然界物质在低温下呈现出在常温下所不具有的特殊物理性质,如超导电性,超流动性,磁有序态,量子霍尔效应等,改变了人类对自然物质世界的看法,并极大的促进了自然科学和工程技术的发展。

超导现象的一个基本特性就是电阻为零。因此采用超导材料制作的电缆没有焦耳热损耗,与传统电缆相比,它具有在输电过程中能量损耗低、输送容量大、体积小、电磁污染少等优点;在相同截面下,超导电缆的输电能力是常规电缆的3-5倍。研究人员已制造出大型超导磁体,它电阻很小、热损耗小,易产生强大磁场,且节省电力。低温超导技术在加速器的应用是上世纪高能粒子物理领域的重要突破之一,也是当今加速器领域的发展和应用热点。这主要体现在超导磁体比常规磁体具有明显优点,例如在环半径相同的情况下,超导加速器能量可相应提高数倍,而且也可大大的降低电能消耗和运行费用。用于大型高能粒子探测器的超导磁体技术不断地得到推进,这些超导设备都需要液氦温度或更低的低温制冷技术的支持,从而推动了低温技术的进一步发展。

超导现象的另一个基本特性是完全抗磁性。材料一旦进入超导状态,体内的磁通量将全部被排出体外,磁感应强度恒为零,即迈斯纳效应,也就是磁屏蔽的原理,同时磁悬浮也是基于此原理的。磁悬浮列车就是利用上述磁悬浮的原理制作的一种没有车轮与轨道无接触式的有轨交通工具,时速可达到500公里以上。由于列车“悬浮”在轨道上面作无摩擦的运行,从而克服了传统列车车轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题,并且具有启动、停车快和爬坡能力强等优点。经过数十年的发展,磁悬浮技术形成了两大研究方向——德国的EMS(常导磁吸型)系统和日本的EDS(排斥式悬浮)系统。EMS系统,是利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理,把列车吸附上来悬浮运行,例如上海的磁悬浮列车。EDS系统,则是用超导的磁悬浮原理,使车轮和钢轨之间产生排斥力,使列车悬空运行。由于超导磁悬浮列车具有快速、低耗、环保、安全等优点,因此前景十分广阔。

除了超导外,低温下另一个特殊现象就是超流。当液氦(也称正常态,氦I)的温度降到2.17K以下时,它从原来的正常流体突然转变为具有一系列极不寻常的性质的“超流体”(也称氦II),表现为粘性为零,可以无阻碍的通过极细的狭缝和小孔,并在和任何固体表面接触时会形成一层薄膜(约30纳米)。超流现象是一种宏观范围内的量子效应。液氦由正常液体过渡到超流体是一种连续相变,无潜热和体积突变。它们的热力性质和输运性质有很大不同。除了粘性表现为零外,液体的比热容有一个大幅度跳跃,膨胀系数也存在跳跃。氦II的导热率要比氦I高100倍,比铜高出数千倍。由于超流氦极低的粘度(趋于零)和极高的热导率,因而作为一种特殊的冷却剂在低温超导尤其是大型高能粒子加速器和强磁场领域得到广泛应用。国际上很多大型高能粒子加速器和许多强磁场系统都是采用超流氦冷却,具有比饱和液氦更好的冷却性能和电气绝缘性。

对低温研究的兴趣还来自于其广泛的工业应用。如航空航天、工业生产、生物体低温保存、低温外科手术、空间红外探测、超导磁共振成像仪(MRI)、氦氩刀、超导磁悬浮列车、超导加速器等技术,改变着人类日常生活方式。

在航空航天领域,几乎所有卫星、航天飞机都是由火箭运载进入大气层及外太空的,绝大多数火箭推进剂都是液氧和液氢。液氢液氧发动机单位推力比煤油液氧强大约30%,已用于运载火箭完成登月任务。目前单位推力更大的氢浆或胶氢(液固氢混合物)火箭也已经使用,为实现人类探索宇宙的起源和人类的奥秘。

在工业生产方面,如炼钢、化工、机电行业中需要大量的各种气体工质,绝大多数都是根据气体的不同液化温度,采用低温方法从空气分离获得的。另外,气体不便储存和运输,特别是不宜铺设气体管道的地区,采用低温技术将气体液化进行储存和运输是最有效的途径之一。以天然气为例,作为一种优质高效洁净的绿色能源,天然气正日益受到国际社会的关注。当被冷却至-163℃(110K)时,天然气会液化,其体积只有气态的1/600,非常适合储存和运输。2011年底世界主要地区天然气蕴藏量达188万亿立方米,世界天然气贸易量的1/3是以液化天然气(LNG)方式采用LNG 船运输的。天然气已成为我国能源开发利用的重点,每年以20%的速度增长,2010年我国天然气消费量达到1300亿立方米,预计到2020年的将增至2000万立方米。但我国天然气的储量及开采量都远远不足,市场供应缺口将达600亿立方米,需要进口数以千万吨的LNG。我国已经在广东大鹏、福建莆田、上海洋山、江苏如东建成了4座LNG进口接收站,同时海南、浙江、江苏、河北等正在和拟建设的LNG接收站超过10个。

在生物体的低温保存方面。人体细胞、组织、器官的同种异体移植,是临床救治重症病人的重要技术手段。由于供需双方在时间方面存在很大差异,即供体的捐赠和受体的临床移植之间存在时间差——必需对生物体采用低温保存。生物体之所以能够在低温下长期保存,是因为低温能抑制生物体的生化反应。人们已经研究发现了温度对于生化反应的影响情况,得出了不同生物变质速率与温度的关系。许多实验已证明,经成功低温保存的细胞和组织在-196℃保存数十年,复温后进行检查,没有发现任何生化和功能上的变异。

低温冷冻手术的原理是使降温后的细胞内和细胞外迅速形成冰晶,导致肿瘤细胞脱水、破裂。同时冷冻使微血管收缩,血流减缓,微血栓形成,阻断血流,导致肿瘤组织缺血坏死。肿瘤细胞反复冻融后,细胞破裂、细胞膜溶解,促使细胞内和处于遮蔽状态的抗原释放,刺激机体产生抗体,提高免疫能力。总的说来,冷冻外科治疗大大降低了手术风险和并发症率;与微波、射频微创治疗手段相比,它能够监测治疗过程和治疗效果,没有麻醉条件的限制;与放、化疗相比,它没有肿瘤组织对化疗药物不敏感或受放疗最大剂量限制的问题。目前,低温外科手术已拓展应用到几乎所有肿瘤临床科目,正逐步成为肿瘤治疗方面的重要途径。

严格的低温环境是空间红外探测器工作的基本要求。空间红外探测技术是通过接受各种宇宙物质形态红外波段内的辐射,对采集到的信号进行分析研究,获得所感兴趣的宇宙信息。在深冷的太空中,能定义天体物质性质的是其辐射出的红外波段的信息,这自然要求接受此信息的一系列探测仪器设备的温度也要很低,否则设备本身的热辐射就会干扰有关信息的采集。在空间低温背景下,影响仪器探测率的背景辐射主要是自身光学系统和视场内仪器本身元器件的热辐射。红外探测器的工作温度越低,背景噪声越小、光谱截止波长越长、响应时间越短、信噪比和分辨率也越高。除了外太空探测,跟我们日常生活更加密切的是对地观测、大气观测、天文观测等卫星,上面都搭载有红外探测波段的仪器设备。而获得高灵敏度的信号,它们也必须在低温下才能有效工作,低温技术和低温光学已经成为空间探测技术的重要分支。

科研工作的内在和外在因素

上述因素就是我近20年一直坚持从事低温科学与技术研究的动力和来源。有了科研兴趣,且做到专心、专注、专业、专家,就具备了成为一个合格优秀的科研工作者的必要和内在条件。但是外在条件和环境也十分重要,这就与我们国家大的科研环境与体制,高校研究机构的科研环境与体制密切相关。我们国家现在处在一个科研学术界大浮躁大跃进的年代,这一方面原因来源于我国当今社会上的浮躁现象和社会风气,如诚信缺失、道德失范。这种浮躁的另一方面原因其实是科研人员待遇的普遍低下。作为从事科研教学工作的绝大多数教师来说,压力的确很大——科研考核、教学评估、收入、职称、住房、医疗、子女教育等等。这待遇低了,那么人就只好玩各种短平快的招数来改善自己的生存状态,无论是离开学术界去企业或者经商,还是留在学术界发大量垃圾论文拿奖金,都是如此。这是事实,我们不用回避。

那么我们科研工作者应该以什么样的心态看待或者处理这些问题呢?

正巧,前段时间中央1台晚上播放的《国家命运》,讲述了“两弹一星”研制过程中,为了国家的强大、民族的振兴,国家领导人及老一辈科研工作者在经济极度贫困、技术和科研设施十分薄弱、工作条件异常艰苦的情况下,以惊人的智慧与毅力,创造出“两弹一星”的民族奇迹。我们仅仅只需回头看看我国老一辈的科研工作者的工作环境、生活条件、衣食住行,我们还能抱怨什么呢?

所以,我的观点十分明确,就是把不必要的抱怨、烦劳、忧虑抛在脑后,做好本职科学研究、教书育人工作,做好一名大学教师应尽的社会责任和义务。作为知识分子,就应该范仲淹在《岳阳楼记》中所说的“先天下之忧而忧,后天下之乐而乐”。这句话直接的含义就是把国家、民族的利益摆在首位,为祖国的前途、命运担忧分愁,为天底下的人民幸福出汗流血。我们普通的科研工作者也许做不到这点,但是我们绝大多数人应该可以做到这句话的引申义:即积极向上、奋发有为。奋斗是实现理想的阶梯,化学家诺贝尔为研制炸药,废寝忘食,四年里做了几百次实验,最后一次实验他甚至负了重伤,但他却成功了。由此可见,纵然理想与现实常有矛盾,青年们仍应以奋发有为的精神作为通往理想境界的阶梯。经常保持这种观点,却能使我们认清事物的本质,不断鞭策自己、警戒自己、完善自己。

实验工作的重要性

实践是检验真理的唯一标准,尤其对于理科与工程技术学科。纵观科学技术发展史,科学与技术的每一次进步都离不开实验数据的支持和验证,没有经过实验验证的想法、观点、结果都是井中月、水中花,也许炫丽好看,但没有任何价值。对于实验的重视最早来源于我的硕士生导师,我硕士二年级的时候针对一个复合导热传热问题写了一篇理论分析和数值模拟的文章,交给导师审阅,打算投稿到一个全国传热会议上。导师评价不错,但是说这篇文章的结果没有实验数据的支持,如果我可以投稿去参加会议交流,但不要写上他的名字。这直接影响了我的科研生涯,随后我取得的最重要的工作成果都是基于实验数据的基础上的。所以实验是科学的基础,也是增加知识的源泉。多年来,我养成了一种工作习惯,每天来学校之后的第一件事就是去实验室。因为在实验室里,不仅能了解研究生的最新科研进展,实验过程中出现的问题,更重要的是能够和研究生讨论彼此对于实验的想法和见解,甚至和学生一起拆装实验台,分析实验数据。而研究生们也很乐意与他们的导师分享自己的实验成果,相互交换看法,甚至会因为对于某一问题的不同见解而发生“争执”,并以此为“荣”。研究生们在参与项目研究的实战中锻炼了自己的能力,得到了提高。实验的重要性主要体现在:

实验能够锻炼意志、培养性格,养成良好的科学态度和作风。实验是科学的研究方法,要求学生以老老实实、实事求是的态度去进行。对于所观察到的现象及所测试的数据,一定要一丝不苟.尊重客观事实,不能凭主观想象或臆断,这对培学生良好的科学态度和作风是很有好处的。对每个实验又要求学生善始善终,不怕吃苦,能勇于逆着困难上,经得住失败,有着不取得胜利绝不善罢甘休的顽强精神。这对学生来说是一种意志的锻炼。所以,学生亲手做实验不单纯能学到科学文化知识.而且还能锻炼性格,陶冶情操,养成良好的作风和习惯。

实验能更加激发学生对理论知识学习的兴趣。学生在独立操作实验过程中,特别是一些探索性实验,往往对观察到的现象、实验所揭示的事实感到惊奇。青年人的好奇与欲知的心理促使他们去追求.去寻找答案,这就加强了他们的学习兴趣,即使是一些验证性实验,通过学生自己动手,也可以变抽象为具体,形象生动地学习。因此.实验在调动学生学习兴趣上起着重要作用。

实验能培养综合技能和多种能力。实验是一些具有实验能力的人所进行的实践活动,包括实验设计、实验台搭建、系统组装、仪器仪表调试、数据测量及分析等各项能力。开展实验活动,要求的不是某一种能力.而是综合能力的体现和进一步锻炼。因此,一个学生的实验能力强弱.直接关系到其所进行的实验成功与否,综合科研能力的强弱。

关于学生培养

可以归结为三方面的能力培养和如何做人的培养。即发现问题(好奇心和想象力)、思考问题(逻辑训练)和解决问题(基础理论知识和专业知识的学习和积累)的能力培养,以及符合社会公德的行为准则的培养。我于2006年在上海交通大学开设了新生研讨课“奇妙的低温世界”。这是基于我所从事的专业领域及前沿科研成果,面向一年级新学开设的小班研究性教学及讨论。课程以介绍、探索和研究为教学方式,强调师生互动和学生自主学习。教师是组织者、指导者和参与者,围绕老师介绍的专题,在老师-学生-学生间进行互动与交流。为新生创造一个在合作环境下进行探究式学习的机会,激发学生自主学习的研究性教学的理念与模式,它与一般意义上的选修课的不同之处在于,不仅让新生学习知识,更重要的是让新生体验认知过程,强调教师的引导与学生的充分参与和交流,使学生通过主动的学习、思考、对分析和小组讨论,培养学生思考问题、发现问题和解决问题的意识和能力。为后继主动学习和从事科研工作打好坚实的基础。

温文尔雅,却怀有一颗对于学生培养和学术追求的火热之心。良师益友,亦师亦友,这就是学生心目中的“巨老师”。如今在英国纽卡斯尔大学攻读博士学位的陆奕骥同学,第一次认识我就是在我为本科生开设的“奇妙的低温世界”课上。我别具一格的授课风格和内容所深深吸引了他。课程结束后,抱着试试看的态度陆奕骥同学敲开了我办公室的门,询问自己是否可以加入我的科研团队。我直接带着他参观了低温实验室,了解各实验装置的功能、用途和研究目标。最终,他选择了自己感兴趣的低温制冷机作为本科毕业设计的研究方向。在接下来的两年多时间中,陆奕骥同学跟着我的研究生参与了实验装置的设计研制、实验数据的整理分析,以及论文的撰写投稿,并在国内外期刊上发表了多篇学术论文,从而为其今后在纽卡斯尔大学的继续深造奠定了良好的基础。

“在我人生最迷茫的时候,遇到了巨老师,从而改变了我的人生。博士阶段从事低温制冷机实验研究的四年,是我人生中最美好的回忆,并且对于现在的工作起到了至关重要的帮助” 。2012年6月份刚毕业的郝熙欢博士如是说,如今他就职于美国宾夕法尼亚州一家知名的低温企业,从事小型低温制冷机的研发工作。回忆起自己博士阶段的求学生涯,郝熙欢谈到了几个第一次。“在我第一次见巨老师的时候,自己虽然为面试做了很多准备,但还是很紧张,以至于巨老师问的几个问题都答非所问,而他却很和蔼,亲自给我倒茶,让我放松心态,至今还记着面试时巨老师给我提的几个要求,并时时激励着自己。”“第一次撰写英文论文,让巨老师帮我修改的时候,他对于论文中的每个数据,每张图表,每条结论都要严格审核,甚至对于论文中的用词和语法都一一斟酌,以求精益求精,导师这种严谨的工作态度,求实的科研精神深深感动着我。”“第一次和巨老师出国参加学术会议,在我做论文陈述过程中未能回答出一个学者提出的问题,而深深感到惭愧的时候,巨老师给了我很大的鼓励,并给了我很多好的建议,最终自己根据这个问题做了进一步的研究,发表了学术论文。”郝熙欢动情地说:“读博期间最开心的事,就是和巨老师一起讨论学术问题,只要有好的想法和见解,可以随时随地找他讨论,而巨老师会尊重我们每一个想法,并和我们一起分析,如果可行,就会让我们放手去做,去实验、去验证。正是经历过这样的锻炼过程,才使得自己毕业之后可以尽快适应新的工作岗位,并且更加自信。”

在学生心目中,巨老师是一个取得过很多显著成绩,却又敬业、严谨、和蔼的老师,将继续带领他的科研团队,陪伴着他的学生,在奇妙的低温世界里不断地向前探索。

学者小传

巨永林,九三学社上海交大委员会委员,上海交通大学机械与动力工程学院教授,博士生导师。1992和1995年分别在西安交通大学获得学士和硕士学位,1998年在中国科学院力学研究所获得博士学位。随后在荷兰艾茵霍温(Eindhoven)大学物理系(1998-2000)、中国科学院理化技术研究所(2001),美国哥伦比亚大学物理系Nevis实验室(2002-2005)从事科研工作。

长期从事低温工程和工程热物理方面的研究工作,在新型低温制冷技术、低温探测器、液化天然气等方面取得了重要的科研成就。主持完成了各类项目20余项,包括国家自然科学基金,科技部863计划,工业与信息化部民用专项,上海市科委浦江计划等。参编学术著作2本,发表学术论文120余篇,其中SCI收录60余篇、EI收录50余篇、ISTP收录40余篇,已获得中国发明专利22项。曾获得1998年中国科学院发明二等奖,1999年国家技术发明三等奖,2003年国际制冷学会Carl von Linde Award(卡尔·林德奖)。2006年入选上海市浦江人才计划,2007年、2009、2011年3次获得上海市白玉兰科技人才基金,2007年入选教育部新世纪优秀人才计划。

担任理学院物理系粒子物理宇宙学研究所兼职教授,中国制冷学会理事、低温专业委员会委员,上海市制冷学会常务理事、第一专业委员会(低温工程)主任,新奥集团-上海交通大学LNG工程中心主任、Frontiers in Energy (能源前沿)国际学术期刊编委(2007-2011)。

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