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大师做科研：上得了厅堂，下得了厨房
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《大师做科研：上得了厅堂，下得了厨房》
——王军强
今天在网上看到朋友转的一个新闻——堂堂博士后为什么成了老赖？说的是国内某高校的博士后因交不起房租而被其学校（房东）起诉到法院，被判强制离开。而在记者采访该博士后为何拖欠房款并“赖住”时，他给的理由冠冕堂皇，然而却得不到记者们的认同。他说，其实自己有机会去地方性的小学校谋得一份职位，但他认为母校的科研氛围稍好，导师口头允诺了一个渺茫的留校机会，为了追求做科研的理想，不能因为短时的初级追求（比如吃饭住房）而放弃理想，于是忍痛想留在母校继续从事科研工作。主持人、记者和法院工作人员基本上一致认为该博士后应该要务实，首先克服眼下的困难，而不是追求一个虚无的理想或梦想。看了该新闻的一些评论，大概可以分为三类：一是批判记者和相关人员缺乏理想、没有追求，反过来却嘲笑这个有理想的博士后，是一种浮躁风气的体现，是中国当今科技落后的根本原因。二是认为这个博士后上学上傻了，变成了一个迂腐的书生。第三类观点更多的是一种无奈，认为这么高学历的一个“人才”却因为交不起房租而被起诉至法院完全是一个“悲凉”的事情，属于中国教育制度的失败。
虽然这是仅仅是一个个例，但既然这么多人跟帖道悲凉，我不禁想我们的教育教给了我们什么？教育本来的目的应该是什么？科研本来的目的应该是什么？
这篇博文主要从我的研究领域——“金属玻璃“中的一些案例来剖析一下大师是怎么做科研的。
凝固现象研究是当今铸造行业以及重工业蓬勃发展重要基础，而合金中的固溶体相对材料的性能有重要的影响。上个世纪初在英国，一个著名的研究铝合金和镁合金的聋子William Hume-Rothery提出了关于凝固过程中合金形成固溶体的著名的Hume-Rothery经验判据。这个判据为金属铸造业的发展起了重要的推动作用。而后的很多年大量的科学家和工程师都来研究、验证和挑战这个Hume-Rothery判据。上个世纪五十年代，在美国西海岸的Caltech，一个正在研究飞机发动机叶片用高温合金的叫Pol Duwez的青年发明了一种速冷装置，他对Hume-Rothery判据非常感兴趣，希望研究速冷条件下的凝固过程对原子堆积结构的影响。在1959年他们发现在热力学平衡条件下根本不可能形成固溶体相的金-硅二元体系在速冷的条件下形成了单一相（光学显微镜下观察）。后来的X射线衍射证明金-硅二元体系形成了玻璃相。这就是第一块从液相冷却得到的金属玻璃，文章发表在1960年的Nature 187，869上。这个只有半页纸文章从此开辟了一个全新的金属材料研究方向——金属玻璃研究。
金属玻璃因为特殊的原子堆积结构和化学成分，表现出很多优异的物理和化学性能，在众多领域表现出巨大的应用前景。目前很多技术瓶颈较小的研究方向已经得以商业应用，比如利用其优异软磁性能的变压器铁芯方面，利用其优异力学性能的穿甲弹，利用其特殊原子结构的太阳风捕捉器等等。除了这些，金属玻璃在许多其他方面也有很大的应用前景，但是由于较大的技术壁垒和工艺限制，目前还未实现商业化应用，比如利用其优异力学性能的具有复杂形状的器件。因为为了制备金属玻璃需要抑制掉晶体的形核长大，熔融的液态金属在铸造降温过程中，较高温度时原子扩散很快，需要通过迅速降温抑制掉晶体的形核和长大。对于形状复杂器件的铸造，快速降温时可操作时间太少，样品性能和形状难以得到保证。要实现这个应用需要从工艺技术和科学两个方面共同提高。
目前解决这个问题的主要思路是通过普通的速冷铸造方法制备出形状简单的大块金属玻璃，比如柱状、板状、带状等。然后通过升温使其经玻璃转变进入到较为粘稠的过冷液相区，此时原子的扩散系数很小，不容易晶化（晶体形核长大），有较长的可操作时间。2004年前后，中科院物理所的汪老师组研发出一系列称为“金属塑料”的金属玻璃体系，这些金属玻璃体系可以在较低温度下发生玻璃转变，这对实现低温压印铸造提供了重要的材料基础。图一是物理所汪老师组利用铈基金属塑料在热水中压制成型的中国科学院物理研究所所徽。图二是华中科大柳林教授组通过在金属玻璃的过冷液相区实现的微纳米成型技术。图三为Yale大学Schroers教授组用类似方法制备的纳米线。
图一、用金属塑料压印的中国科学院物理研究所所徽。
图二、利用金属玻璃在过冷液相区实现微米成型。
图三、利用金属玻璃在过冷液相区压印制备纳米线。
金属玻璃研究领域的大师级科学家，Duwez教授的传承人，美国科学院（2007）和工程院（2000）双料院士，Caltech的William Johnson教授也参与到了这个研究方向中来。并于前年在Science上以第一作者和通讯作者的身份和合作者发表了题为“Beating Crystallization in Glass-Forming Metals by Millisecond Heatingand Processing”的论文。该文章提出通过电容放电的方法可以将金属玻璃快速升温至过冷液相区，并通过压印铸造成型。该方法实现了将软化金属玻璃和压印成型同时快速进行，促进了金属玻璃的商业化应用进程。图四是该电容放电软化金属玻璃实验的照片。图五（B）是通过该方法制备的一个金属玻璃样品。图六表明此方法可以实现将金属玻璃制备成电子商品外壳，见下面的网站报道。金属玻璃制备的外壳具有色彩真实鲜艳、耐磨、耐划、更薄、耐腐蚀等优异性能。据说Johnson教授创建的Liquidmetal公司已经和奢华手表公司Omega和奢华电子电器公司Apple合作，通过此技术将金属玻璃应用于电子商品外壳的制备上了。期待早日看到成品。大师做科研真心是高端大气上档次！
图四、电容放电压印金属玻璃装置。
图五、通过电容放电压制的金属玻璃样品（B）。
图六、该方法可以将金属玻璃制备成电子商品外壳，比如iwatch, iphone, omega watch. 见如下网站报道。
http://www.idownloadblog.com/2013/07/17/apple-liquidmetal-production-process-patent/
美国著名物理学家、美国物理学会第一任会长亨利•奥古斯特•罗兰曾经说过“需求是发明之母”。正是因为对性能优异材料的需求和不断追求，比如高强度、高硬度、耐腐蚀，金属玻璃才成为众多优秀科学家追逐研究的对象。同时罗兰也曾经说过“因发明而获得财富或者在某些情况下从事商业化的科学工作并不是一件有失体面的事。但是，纯科学应该是具有教授职位的人的追求目标。”Johnson之所以被人尊为大师，因为他可以从上面这样看似更工艺化、更工业化的过程中发现支撑这个过程的基本物理知识。他们文章中又通过精确测量电容发电过程中金属玻璃温度的变化，计算出了过冷液相区的基本物理参数焓的变化；通过金属玻璃的即时变形速率计算出了过冷液体的重要参数粘度的变化。又或许反过来说更合适，是因为他深邃的物理思想才能让他有这样革新的想法。就像汪卫华教授文章里说过的一句话“是科学上的见识和洞察力，而不是粗浅的经验和运气导致了技术上的突破。”大师做事情真心是低调奢华有内涵！
图七、电容放电瞬间，金属玻璃的温度和形状变化。
图八、通过上面的方法测量了金属玻璃在过冷液相区两个热力学物理参数焓和粘度的变化。
图九、提出了金属玻璃-液体-晶体在温度-时间坐标中的相图关系。
最后再引用亨利•奥古斯特•罗兰的一句话“对科学家来说，无论他有什么样的天赋，在他竭尽全力工作之前，他必须拥有仪器、图书馆，和生活所需的恰当、受人尊重的薪水。”
中国“最惨”博士后
https://blog.sciencenet.cn/blog-202254-744244.html
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