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特稿丨郭万林:面向前沿 做世界一流的研究和教育

发布人:丁毅 发布日期:2017/12/12 浏览:234
郭万林教授从大学求学到工作,已有近40年的时间:前20年,他在西北工业大学飞机系完成了本硕博的学习,并在西安交通大学工作了十余年,期间专心致志于发展三维疲劳断裂理论,其所建立的三维约束理论被国际上称为“郭理论”。从1999年受聘为“长江学者”来到南航,教书育人又已18年,这期间他在推动三维疲劳断裂理论用于飞机型号设计研制的同时,开创了纳尺度物理力学和纳智能材料器件研究新领域,取得了一系列具有国际影响力的学术成果。
    他说,现在的科研工作者赶上了最好的时代,“大学应该引领时代的发展,大学的教师要面向前沿,做世界一流的研究和教育”。
科研工作者的爱国情怀
    1981年,郭万林进入西北工业大学学习。同年,日后成为他的研究生导师和人生导师、我国航空事业的奠基人之一的黄玉珊教授,在西工大创建了飞机结构强度研究所。谈起自己的导师,他依然被先生23岁获得斯坦福大学的博士学位时毅然回到战火纷飞的祖国,到中央大学任教的爱国情怀深深感动着。在黄玉珊先生诞辰百年、逝世三十年之际,作为关门弟子的郭万林回忆起恩师的点点滴滴,不禁感慨道:“究竟是什么样的精神才会让一个23岁的博士从美丽的斯坦福校园,义无反顾地回到一个连首都都正处于沦陷中的国家任教呀!”
黄玉珊先生不光把郭万林带进了损伤容限设计的前沿研究,还把爱国之情传递给了他。1995年,郭万林应邀前往在澳大利亚莫纳什(Monash)大学和澳国防科学技术组织(DSTO)专家中心工作,主要工作是去解决F111飞机的疲劳裂纹问题。1996年,郭万林获得国家杰出青年基金,为他提供了60万的科研经费,亲友问他:“这60万的科研经费你自己能拿到多少呢?“一分都没有,全是拿来做科研的。但是国家拿出这么多钱很不容易,我必须要回去。”
    回想起20年前在澳洲工作的那段时间,有两个细节让他不禁感慨中国的快速发展:在澳大利亚的超市里,人们都推着小车买东西,大包小包都往里塞,“就像东西不要钱一样”,而那时中国的老百姓还“含蓄”地提着塑料袋选购东西,开轿车是连想像都难得的。
    20年后的今天,坐在国家重点实验室的研究室中,郭万林感慨万千:“中国近三十年的发展变化是以前想都想不到的。我们一定要珍惜这样的好时代。”
    一个中国知识分子,他的命运、他的事业、他的前途是和自己的祖国紧紧地连在一起的。在他还默默无名时,祖国培育了他,当他学有所成时,他愿用一生所学回馈祖国。
创立三维疲劳断裂的“郭理论”
在郭万林作为免试研究生从西工大飞机系本科进入研究生学习的阶段,正值“损伤容限设计”这一新的飞机结构设计概念在国际上发展的黄金时期,我国在这方面的研究也刚刚起步,他的导师黄玉珊教授正是我国飞机结构损伤容限设计的主要推动者。
郭万林介绍,早期的飞机设计理念,是基于飞机部件上没有任何初始缺陷或裂纹存在这一假定。但材料之所以有强度,重要因素就是各种缺陷、位错的设计。材料的制造利用的就是这类缺陷,裂纹也因此在材料结构中滋生。随着材料在各种环境中的使用,裂纹更不可避免会扩展和繁衍。以美国为首的西方国家在大量机毁人亡的惨痛教训下,从70年代开始了损伤容限研究和设计。
当时导师给了郭万林一份国外的研究报告,他仔细对比分析其中的实验数据发现,仅仅厚度不同,含裂纹试样的承载能力就有几倍的变化,裂纹疲劳扩展寿命的变化则高达数倍至上百倍。在不断研究下,在博士阶段他就发现使用后来被国际上称为“郭因子”的三维约束参数的有限特性,可以把难以求解的三维问题简化成可以求解的问题,这让他在国际上率先获得了对三维弹塑性裂纹问题的理论解。
在理论突破的基础上,又经过二十多年的不懈努力,郭万林带领他的团队系统地攻克了飞机结构三维损伤容限关键技术,为我国研制成功损伤容限时代的先进飞机起到不可或缺的作用。他所建立的三维弹塑性断裂理论也逐渐被国际学术界广泛承认、大量大篇幅引用评价,并冠以“郭因子”、“郭解”等。
2008年,在我国某型飞机全机试验到关键阶段时,飞机出现较严重的裂纹,在这种紧急情况下,设计方和实验方都不敢贸然继续试验,在暂停实验后,他们委托郭万林及团队对飞机结构进行分析和计算。郭万林和团队成员们经过几个月日夜奋战,用他们建立的三维疲劳断裂理论理论计算分析后发现开裂的飞机结构
不仅能够承受100%的设计载荷,而且还有强度富余,型号研制方据此成功地完成了剩余强度试验,与他们的理论预测一致。
此后,他们还应用三维断裂理论对飞机主机翼、新型机翼等关键连接结构和轴结构进行了系统的损伤容限分析,给出的评估结果与之后完成的全机试验结果一致,受到设计方肯定:“为该领域的重大技术创新,使我国三维损伤容限分析达到国际领先水平”。
开创纳米尺度物理力学新领域
郭万林不仅与“三维断裂”结缘三十多年,还一脚踏进微观世界,在纳米科技领域做出了不凡的成绩。新世纪伊始,纳米科学发展势不可挡。2000年来到南航后,郭万林开创了纳尺度物理力学和纳智能材料器件研究新领域。研究成果获2012年国家自然科学二等奖和2011年教育部自然科学一等奖(均为第一完成人)。
郭万林及团队主要探索纳米技术如何向现代化的应用发展,特别是在航空航天领域的应用。他们发现了玻璃上的单个原子层的石墨烯可以气流致生电,提出一种全新的无源气流流速传感的机制。他们对石墨烯中“书画势”和“波动势”的研究还被国际上评论为拓展了动电效应数百年的动电理论,展示了自源器件和绿色能源的新途径。
蒸发无时无刻不在发生,蒸发的水汽可以通过蒸汽机发电,但你知道蒸发也能直接发电吗?不用外来的电,用蒸汽发的电就可以催动手机和电脑,同时还可以控制室温及提供充足的纯净水……这个充满科技感的情景可不是一个天马行空的想象,而是纳米科技领域的新突破。
最近,郭万林研究组与华中科技大学周军教授研究组合作的研究成果发表在国际顶级刊物《自然·纳米技术》上。他们的研究发现,在纳米结构的碳材料表面发生的水蒸发能够在碳材料薄膜中产生电压。他们借助于廉价的碳黑片层材料,利用水蒸发可以在常温条件下产生1V的持续电压。
大约20摄氏度左右的温度下,让一立方米大气的温度升高或降低一度需要的能量是一千多焦耳,相当于一节干电池的电量;一克水从液态变成蒸汽也需要一节电池的能量,那么一杯水蒸发所释放的能量足以使一个近30平米的房间温度降低10摄氏度。郭万林指出,我们周围充满着能量,用蒸发发电不仅有望解决地球变暖的问题,还可以为污水处理提供一种新路径。
当中国的科学家团队在这个领域研究的同时,美国哥伦比亚大学一个团队也做了一个实验,他们将一种生物材料放在水面上,通过水蒸气中材料的吸水膨胀、干燥收缩驱动发电机间接地利用蒸发发电,他们宣称美国现存湖泊中蒸发的水分能够每年为美国提供高达28.5亿兆千瓦的电量,这相当于美国在2015年生产电量的2/3。然而中国科学家水蒸发直接生电的研究成果更有现实意义。近日,中国科学家的这项合作研究成果被授权发明专利。
教授学生不仅要教知识文化,更多的是要传递精神”
在大学期间,因为成绩优异,郭万林获得了免试研究生资格,别人眼中求之不得的好事,却让这个20出头的小伙有些不好受,他这样形容自己当时的心情:“这种感觉就像别人千辛万苦爬上华山,而我是被直升飞机扔上去的一样。”郭万林开始更广泛地学习基础理论,并开始科学研究探索。执着的人总能在脚踏实地的坚实步履中实现自我的价值,郭万林在研究生阶段对基础理论扎实的掌握为今后“郭理论”的出现打下了坚实的根基。
做学生时,郭万林一直在问自己是不是最好的学生,成了一名大学教师后,他也不停在问自己是不是国际上最好的老师。从教以来,郭万林已经培养了36名博士,包括杰青、优青、青千、全国优博和优博提名等优秀人才。他曾这样描述自己的教学心得:“教授学生不仅要教知识文化,更多的是要传递精神。”
国家自然科学基金委优秀青年基金(“优青”)获得者、南航航空宇航学院教授、博导郭宇锋是郭万林到南航后带的第一批博士,他印象最深的是郭老师对他学术视野的开拓,让他一个学飞行器设计的本科生,在研究生阶段进入了纳米科技的前沿领域。2003年,在郭万林的引荐下,郭宇锋有了去德国马普金属研究所学习一年的机会。“郭老师一直强调,一定要具备前沿意识,尤其搞基础研究,一定要走出去交流思想、开阔眼界”。
中组部千人计划青年人才项目(“青千”)入选者、南航航空宇航学院张助华教授本科学习的是飞行器环境与生命保障工程,大二时偶然看到《南航报》上关于郭老师的报道,印象异常深刻,两年后保研慕名到了郭老师课题组。郭老师从张助华的本科生毕业设计开始指导,逐级扩展研究内容、加大研究深度,为他今后的学术研究打下了坚实的基础。张助华说,“郭老师崇尚学术自由,注重挖掘我们的潜力,但细节把握非常严格,有的重要论文会来回迭代数十次,最后版本‘面目全非’”。至今,张助华总计发表SCI论文70余篇,其中影响因子大于10的论文37篇,被他引2000多次。张助华坦言,自己在科学研究方面取得如今的成绩,得益于郭老师的耐心指导与不断激励。
记者采访郭老师的学生,都从口中听到类似的故事:郭万林老师外地出差回到南京后,都已经是晚上了,但出了车站或机场后,总是第一时间赶往教研室,急着把参加会议时的所闻所感与学生们交流传达。至于深夜讨论实验结果和撰写论文,更是常有的事情。
有一次,郭万林到中国商飞公司考察交流,了解到自己的几个毕业生在公司发展都不错,能够在工作岗位脱颖而出。公司的多级领导都称赞说,郭老师的学生都有着与众不同的优秀素质,都得到了重用,发挥着骨干作用。听到企业领导对自己培养的学生有如此的评价,他感到由衷的欣慰。
那么,是什么素质让他的学生们得到这样的信任和重用呢?郭老师的一位学生在送他去车站的路上的话给了一定的解答:“在学校时我们都习惯了和您一样把一件事情做好才安心离开实验室,晚上十一二点回去是很正常的。到了单位,上班时间我们与清华、北大的学生比,并不比别人效率更高,但下班后别人都走了,我们总是习惯地把当天大家关心的问题尽量解决清楚才回家。”这就是言传身教的力量。这样的敬业精神和责任心,以及在纳米所受到的良好素养,深深刻在了每一位在这里学习过的学生的骨子里。这正是郭老师希望的教育的力量。
郭万林在教学时非常注重培养学生的品质精神,他明白,知识固然重要,但他们还要拥有踏实肯干、敬业上进的品质才能在今后的人生中走的更高更远。
【结语】
两年前,受一位在企业做副总裁的大学同学的邀请,郭万林来到合肥的一家新能源企业参观交流,这次经历给他带来了不小的震动。在参观中,他发现这家民营企业设立的工程研究院,不仅实验室宽敞巨大的空间和配备的应有尽有的从材料合成、表征到电池测试和整车环境测试一整套的国际先进的研究和测试设备,竟然还以优厚的待遇招聘了上百名名校毕业的博士到工程研究院开展专职的研发工作。这让郭老师对大学在新时代社会中的定位有了更深刻的思考:“在一家民营企业都开始建立这样先进强大的工程研究院的时代,大学教授带领着流水的兵一样的研究生在有限的实验室条件下该开展怎样的教育和研究?研究型大学应该怎么做才能起到对社会和创新型国家发展的应有的作用?”他开始了更高、更广的调研思考。
“企业搞研发是为了高效地生产优质的产品,大学做科研则是为了面向30年、50年甚至100年后的未来。”通过不断的思考研究,郭万林慢慢解开了自己心中的疑惑,他说:“大学是创造知识、传承知识、培养有创造知识能力的人才的地方,这一点是企业所代替不了的。”他将人类的知识划分为三个维度,一是过去时,这是在书本上能够接触到的知识;二是现在时,对应的是科学家们目前所研究的热点问题;三是未来时,他认为面向未来的前沿知识才是大学教授和学生们应当去思考的。毕竟,大学生产的是未来才起作用的产品:面向未来的开拓者。
郭老师说,要带领学生探索学术前沿,大学老师必须首先清楚世界科学发展的前沿、洞察未来科技和社会发展的方向、提出有远见的问题。作为一名大学的教师必须要不断修炼内功,不管是青年教师还是资深教授,都要不断更新自己的知识。同时,大学不光是传授知识的地方,一定要在高水平研究的过程中培养学生创新的能力和科学素养。
——转自南航新闻网