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[转载]漫谈美国环境工程领域的学术大师们

已有 1047 次阅读 2020-11-1 13:55 |个人分类:催化资源收藏|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

2020年9月19日,从美国传来噩耗,著名环境水化学家,曾任加州理工学院学生事务院长和副校长的James J. Morgan教授不幸与世长辞,享年88岁。Morgan教授培养了一大批水环境化学和水处理领域的科学家和工程师,其中很多后来成为了美国科学院或工程院院士。我们为失去一位为环境科学与工程学科发展作出杰出贡献的学术泰斗而感到万分悲痛。

为纪念Morgan教授,同时让广大环境领域从业者和学生了解美国环境工程领域的诸位大师和他们的主要研究方向,笔者将本人多年前首发于人人网上(后广泛流传于知乎和微信朋友圈)的“漫谈美国环境工程领域的顶尖教授”一文加以修改扩充,以飨读者。

 

1. 环境水化学领域的泰山北斗们:Morgan--Morel--Dzombak三代师徒

1.1 环境水化学领域的开创者:James J. Morgan

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James J. Morgan教授

水化学是一门古老的学科,而系统的应用水化学知识解决实际的环境工程问题,Morgan教授堪称第一人。他系统地研究了含锰离子在水体中的迁移转化并将研究成果应用于给水处理之中,也是最早提出混凝技术并将其在给水处理工艺中进行实践的先驱之一。Morgan教授是《Environmental Science &Technology》(ES&T)的创刊主编,该刊目前是环境领域内的旗舰期刊,为后来者提供了展现自己研究成果的平台。他与他的老师Werner Stumm共同编写的经典教材《Aquatic Chemistry》已成为环境水化学领域的标准参考资料,迄今被引用已超过25000次。Morgan教授一门树大根深,培养才俊无数,其中很多后来成为了美国两院院士


1.2承前启后的环境水化学理论学家:François Morel

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François Morel教授

Morgan教授的学生François Morel教授的强项是吸附水化学,主要研究吸附反应的机理,这也是他当选为美国科学院院士而非工程院院士的原因。1990年,他与学生David Dzombak教授的合著《Surface complexation modeling: Hydrous Ferric Oxide》正式问世,该书是第一本详细论述水中离子在金属水合物表面吸附机理的著作,其理论可广泛用于解释水中离子在其他金属氧化物及水合物表面的作用机制,对研究水中污染物迁移转化具有十分重要的指导意义。Morel教授门下也是人才辈出,在环境领域比较有代表性的有David Waite教授(澳大利亚新南威尔士大学教授,美国工程院外籍院士,Morel教授的弟子,ES&T现任副主编,主要研究方向是铁、锰、铜、银、铀等元素在自然环境和人工系统中的迁移转化)、Daniel Giammar教授(华盛顿大学圣路易斯分校教授,ES&T现任副主编,主要研究方向是重金属元素在固-液界面的吸附与转化过程,与国内高校合作密切)等。


1.3环境水化学理论与实际结合的典范:David A. Dzombak

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David A. Dzombak教授

François Morel教授的学生DavidA. Dzombak教授擅长于将环境水化学的基本理论应用于解决跨度极其广泛的实际工程问题。作为理论和应用的双重大家, Dzombak教授在市政废水回用作为冷却水、碳埋存、低pH采矿废水的处理、气候变化和人口增长对美国水资源的影响等领域做出了重要的贡献。作为水中离子在金属水合物表面吸附机理的奠基人之一, Dzombak教授及其合作者Athanasios Karamalidis教授于2010年出版了《Surface Complexation Modeling: Gibbsite》一书,对水中离子在金属水合物表面吸附机理进行了开创性的扩充。Dzombak教授后期将环境水化学相关理论与方法应用于二氧化碳地质利用与封存的相关研究,培养了Catherine Peters(现任普林斯顿大学土木与环境工程系主任)等一批在二氧化碳地质利用与封存领域卓有建树的学者。

当选院士时间:

James J. Morgan教授:1978年

François Morel教授:2009年

David A. Dzombak教授:2008年

任职地:

James J. Morgan教授:加州理工学院(Caltech)荣誉教授,已逝世

François Morel教授:曾任麻省理工大学(MIT)教授,现在普林斯顿大学任职

David A. Dzombak教授:现任卡耐基梅隆大学土木与环境系系主任

【注1】另一位很多人熟悉的环境工程领域学术大师、密歇根大学Walter J. Weber, Jr.教授是与Morgan教授同辈的环境水化学领域知名学者,于1985年当选美国工程院院士,开创了与Morgan教授一派呈鼎立之势的密歇根大学水环境化学研究流派。Weber教授于2018年去世。

【注2】在水化学领域另一位知名学者是毕业于斯坦福大学,现在华盛顿大学(University of Washington)任教的Mark Benjamin教授。他所写的教材《Water Chemistry》是水化学领域的知名教材。他和James J.Morgan教授等人可共同追溯到同一位师祖——水化学研究专家、瑞士人Werner Stumm(曾在哈佛大学任教)。

【注3】另一位属于James J. Morgan教授一门的后起之秀是Young-Shin Jun教授。她属于韩裔,目前任职于华盛顿大学圣路易斯分校,主要研究方向是环境纳米技术在二氧化碳地质利用与封存中的应用等。

2. 斯坦福大学环境系璀璨群星中最闪亮的一颗:Perry L. McCarty

1962年,坐落于北加州的工程学名校斯坦福大学决定筹建环境工程专业。令人吃惊的是,担负此重任的不是国际知名的专家学者,而是当时一个名不见经传的年轻人--Perry McCarty。在此之前3年,他才获得MIT的博士学位。这样一个年轻人,能够担负起创建与斯坦福大学名声相配的环境工程系这一重担吗?答案是肯定的。斯坦福大学环境工程专业的发展情况,到今天大家已是有目共睹。US News环境工程专业排名多年第一、平均每个教员获得的科研经费数第一、拥有院士总数第一等等,这些荣誉,都归属于斯坦福大学环境工程系。Perry McCarty教授,以其卓越的科研和管理能力,吸引一大批顶尖的环境工程人才聚于旗下,同时又坚持教学与科研并重的方针,培养出了如Bruce Rittmann教授这样开山鼻祖式的人物。时至今日,凡我环境工程专业之人,谈起Perry McCarty教授筚路蓝缕,一手创建出天下第一的斯坦福环境工程系这一壮举,莫不拜服!

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Perry McCarty教授

成就:最早研究以微生物厌氧法处理有机污染物的先驱之一;最早提出“污水深度处理”概念的先驱之一;为学生Bruce Rittmann教授研究微生物好氧处理工艺做了理论和实验上的准备。

当选院士时间:1977

任职地:于1962年起任职于斯坦福大学,现为斯坦福大学荣誉教授

师承关系:Perry McCarty教授是现在亚利桑那州立大学工作的Bruce Rittmann教授的老师。Bruce Rittmann教授的事迹将在下文详述。

3. 活性污泥工艺的先驱:Bruce Rittmann

活性污泥法可以说是环境工程污水处理最传统、最核心的工艺了。Bruce Rittmann教授之所以在环境领域大名鼎鼎,正是因为他是活性污泥法的奠基人。他开发了活性污泥法的相关计算方法,是膜生物反应器(MBR)的发明者,也是最早提出微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell)的学者之一。他是环境领域被引用文章次数最多的作者之一,在期刊发表的论文总数超过500篇。撰写的《Environmental Biotechnology: Principles and Applications》一书是世界上最著名的环境微生物学教材。

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Bruce Rittmann教授

任职地:曾任职于(伊利诺伊大学香槟分校(UIUC),环境领域最著名的学校之一),现在亚利桑那州立大学任职。

当选院士时间:2004年

师承关系:BruceRittmann教授是斯坦福大学环境系的奠基人Perry L. McCarty教授的学生。Bruce Rittmann教授是卡耐基梅隆大学著名教授Jeanne VanBriesen的老师。Jeanne VanBriesen教授现任卡耐基梅隆大学城市水环境研究中心主任,在消毒副产物,微生物污染快速检测,智能给水管网(Smart water infrastructure)建设等领域有重要贡献。

 


4. 膜过滤技术与环境纳米科技(Environmental Nanotechnology)研究领域的宗师:Menachem Elimelech

以微滤(Microfiltration),超滤(Ultrafiltration),纳滤(Nanofiltration)及反渗透(Reverse osmosis)为代表的膜过滤技术是环境工程学科的支柱技术之一。将原本用于化工领域的膜过滤技术在环境工程界推广应用,Menachem Elimelech教授居功至伟。1998年,Menachem Elimelech教授受耶鲁大学邀请,在耶鲁大学建立实验室,创建了耶鲁大学的环境工程系。从此,耶鲁大学成为膜过滤技术在美国的研究中心。

90年代末期,纳米科技(Nanotechnology)已成为科学界研究的热点,然而环境工程界对于纳米科技究竟对环境工程这一学科本身有多大影响,仍然处于不甚明了的阶段。Menachem Elimelech教授敏锐地认识到了纳米科技对于环境工程学科的重大推动作用,并与另一位教授(Duke大学的Mark Wiesner教授)一道,提出了“环境纳米科技”(Environmental Nanotechnology)的概念。2008年,Elimelech教授与其他合作者在Nature期刊上发表了“Science and Technology for Water Purification in the Coming Decades”一文,论述了纳米技术在膜过滤中的应用及泄漏到环境中的纳米颗粒可能对环境造成的危害。目前,Menachem Elimelech教授(耶鲁)、Mark Wiesner教授(杜克)、Greg Lowry教授(卡耐基梅隆)是环境纳米技术领域最有名的三位教授。

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Menachem Elimelech教授

成就:系统应用膜技术解决环境工程问题的第一人;环境纳米技术的奠基人之一;“forward osmosis”概念的提出者。

当选院士时间:2006年

任职地:曾任职于加州大学洛杉矶分校(UCLA),于1998年起任职于耶鲁大学,是耶鲁大学环境工程系的创建人。

【注】 Menachem Elimelech教授和James J. Morgan教授等人可共同追溯到同一位师祖——前文提到的Werner Stumm教授。

5. ES&T期刊跨越性发展的重要贡献者:Jerald Schnoor

众所周知,ES&T(Environmental Science & Technology,简称ES&T)是环境工程领域影响最大的期刊之一,而成为ES&T期刊的编辑,更是很多知名教授梦寐以求的机会。成为ES&T期刊的编辑,荣誉倒在其次,更重要的是通过审阅投稿的文章,可以对目前的热点研究方向有一个全面的了解。ES&T期刊的北美区副主编有19人,个个都是可以独当一面的领域大牛。现任ES&T期刊的主编是耶鲁大学Julie B. Zimmerman教授。

ES&T期刊能够有今天的影响力,艾奥瓦大学(University of Iowa)的Jerald L. Schnoor教授发挥了不可替代的作用。Jerald L. Schnoor教授毕业于环境工程名校德克萨斯大学奥斯汀分校 (University of Texas at Austin),后于2002年担任ES&T期刊的主编,在主编任上长达13年。在他任主编期间,ES&T期刊的影响力实现了跨越式增长。到他卸任主编一职时,ES&T期刊的影响因子已达5.228,是整个工程领域影响因子最高的10种期刊之一,也是环境工程领域影响因子最高的期刊之一(影响因子最高的环境工程类期刊,是RSC旗下的Energy and Environmental Science,其影响因子高达30.289)。2019年,ES&T期刊最新的影响因子为7.864。

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Jerald L. Schnoor教授

成就:JeraldL. Schnoor教授是大规模应用数学模型模拟并解决环境工程问题的先驱。最早提出“Phytoremediation”,即利用植物的自然修复能力来去除环境污染。Phytoremediation的概念及其相关理论直接指导了人工湿地的建设。

当选院士时间:1999年

任职地:现任职于艾奥瓦大学(University of Iowa)

6. 物化法水处理领域的集大成式学者:John Crittenden

如果说Bruce Rittmann教授是微生物法处理环境污染物的集大成式学者,那么John Crittenden教授即是物化法处理环境污染物的集大成式学者。John Crittenden教授早年通过研究固定床吸附技术而起家,经过几十年的洗礼,现在的John Crittenden教授早已成为物化法处理环境污染物的大家。他在包括离子交换、化学及光催化氧化、电渗析、固体吸附以及气浮等领域都做出了举世瞩目的成就。在John Crittenden教授的推动下,光催化氧化领域不仅成为了环境工程中最热的研究方向之一,更成为了整个化工界的热门领域。John Crittenden教授于2008年被American Institute of Chemical Engineers(AiChE,美国化学工程师协会)授予“百位当代最优秀化学工程师”的称号,以表彰他对化工界做出的杰出贡献。

John Crittenden教授还非常关心中国环境工程的发展,现任中国科学院、上海交通大学、华东理工大学、天津大学、大连理工大学、四川大学等多所大学或研究所的访问教授及名誉教授。

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John Crittenden教授

成就:化学催化氧化及光催化氧化的先驱;推动了离子交换、电渗析等技术在环境工程领域的应用

当选院士时间:2002年

任职地:佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)

7. 让微生物燃料电池之名响彻环境工程界的学者:Bruce Logan

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC),是一种利用产电细菌直接将有机物中包含的化学能转化为电能的装置。根据维基百科,早在1911年,University of Durham的植物学家Potter教授就发现大肠杆菌(E.coli)可将有机物中的化学能转化为电能;1976年,日本人Suzuki第一个设计出了现代意义上的MFC。

客观上讲,Bruce Logan并不是最早提出MFC概念的教授,也不是最早提出利用MFC处理废水这一开创性想法的教授(这一想法的开创者应为Bruce Rittmann教授)。然而,Bruce Logan教授却是有史以来在MFC领域做工作最多的教授。他提出了多种MFC的构造并尝试利用不同的材料来制作MFC的电极;他深入研究了产电细菌的发电机理,在Lovley教授之后第二个观察到了产电细菌细胞间传导电子的“Nanowire”的存在;他与耶鲁的Elimelech教授紧密合作,探索先进膜技术在微生物燃料电池领域的应用。目前在整个微生物燃料电池领域引用最多的一篇文章《Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology》即出自Bruce Logan教授之手,该文目前引用已达5200余次,是ES&T期刊引用数最多的文章之一。2011年,Logan与其合作者Elimelech教授在Nature期刊上发表“Membrane-based processes for sustainable power generation using water”一文,最终奠定了Logan在MFC领域不可撼动的老大地位。作为环境领域最高产的论文作者之一,Logan教授在2013年一举当选为美国工程院院士,也算是顺理成章了。

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Bruce Logan教授

成就:是研究生物燃料电池最全面、论文产量和引用率最高的学者;为推动生物燃料电池成为环境工程领域最热的研究方向之一做出了杰出贡献。

当选院士时间:2013年

任职地:宾州州立大学(Pennsylvania State University)

8. 致力于推动美国和亚洲科研合作的环境化学家:James Leckie

2012年9月7日,国家发改委国际合作中心发布了这样一条消息:9月7日上午,斯坦福大学可持续发展与全球竞争力中心主任、美国工程院院士、斯坦福大学终身教授James O. Leckie,在国合-斯坦福“中国可持续发展与全球竞争力成长计划”第一期班授课。这一位James O. Leckie教授,究竟是何许人也?

1970年加入斯坦福大学环境工程系时,James O. Leckie只是一名助理教授,名头并不为人熟知。当时斯坦福大学环境工程系招入James O. Leckie教授,主要是考虑到James O. Leckie教授的研究方向是环境水化学,可以与McCarty教授的微生物研究方向形成很好的互补。James O. Leckie教授很快以其超群的科研和管理能力在系里崭露头角,于1980年正式担任斯坦福大学环境工程系的系主任。作为一个有着科研战略眼光的教授,Leckie教授很早就认识到了与亚洲展开科研及管理方面的合作的重要性,并大力推动斯坦福大学与亚洲高校的合作。2002年,斯坦福大学与新加坡南洋理工大学(Nanyang Technological University)正式建立全方位的合作关系(Singapore Stanford Partnership),Leckie教授任该合作中心的主任,直至今日。2005年,Leckie教授主持建立了Stanford-China Executive Leadership Program,为中国的高端管理人才提供全方位的培训。2008年,在Stanford-China Executive Leadership Program大获成功的基础上,Leckie教授主持建立了The Center for Sustainable Development and Global Competitiveness (CSDGC) at Stanford,将Stanford-China Executive Leadership Program的成功经验扩展到全球。

本人一直认为,杰出的科研人才有两类,一类是在自己的一亩三分地挖的很深很透,成为该领域不可替代的专家;另一类兴趣广泛,融会贯通,通过本学科的科研经历而领悟到各学科共通的研究方法和研究艺术,从而成为在各学科都可傲立潮头的通才。James O. Leckie教授无疑是第二类人才的典型代表。

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James O. Leckie 教授

成就:JamesO. Leckie 教授是水化学吸附领域的著名专家,在金属离子及含氧阴离子 (oxyanion)在各类表面上的吸附机理进行了深入研究。首次提出基于双电层模型的表面络合及吸附模型,创造性地提出了“三电层模型”(triple layer model)来解释离子强度对金属离子表面吸附的影响。是与Francois Morel教授齐名的环境水化学领域的宗师级人物。James O.Leckie 教授的辈分比Francois Morel教授还高一辈,导师是前文提到的瑞士裔化学家Werner Stumm。

当选院士时间:2005年

任职地:斯坦福大学

9. 气溶胶领域的宗师:John H. Seinfeld

尽管气溶胶这一领域是目前环境工程最热的研究领域之一,“气溶胶”本身的定义却很简单。根据维基百科的定义,aerosol(气溶胶) is defined as a suspension ofsolid or liquid particles in a gas. This includes both the particles and the suspending gas, which is usually air。根据气溶胶的定义,云、灰尘、烟雾等均属于气溶胶范畴。气溶胶成为环境工程领域最热的研究方向之一,主要因为:1)粒径较小的气溶胶颗粒是对人体危害最大的环境污染物之一;2)大气中的气溶胶可以有效反射太阳辐射,从而减少温室效应。在气溶胶领域做出最大贡献的美国教授,非John H. Seinfeld教授莫属。

John H. Seinfeld教授在气溶胶的形成机理、粒径变化规律、迁移转化等多方面做出了重要的贡献,他也是最早应用计算机模拟来研究气溶胶粒径变化规律的学者之一。Seinfeld教授的研究团队还在Caltech建立了专门在实验室模拟气溶胶形成的巨大反应室(Linde Robinson Environmental Science Chamber),实现了实验室中对实际大气环境的模拟。

John H. Seinfeld教授虽是化学工程师出身,但他对各类环境问题有着很大的兴趣。目前,Seinfeld教授的研究团队所从事的研究大多是和环境问题紧密结合的研究项目,如释放到空气中的有机污染物对气溶胶形成的影响、云团的形成对温室效应的减弱效果等。

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John H. Seinfeld教授

成就:JohnH. Seinfeld教授是杰出的化学及环境工程师,为气溶胶领域的研究做出了最重大的贡献;是最早研究大气中含有硫酸根、硝酸根等离子的气溶胶在粒径增长及化学反应动力学方面的规律的学者,最早提出了定量描述气溶胶粒径增长的方程。

任职地:加州理工学院 (Caltech)

当选院士时间:2013年(美国科学院院士)

 

10. 从机理上揭示环境问题及污染防治技术原理的科学家:Michael R. Hoffmann

Hoffmann教授四十多年的学术生涯研究涉及大气化学、化学动力学、催化氧化与还原、光化学、光催化、纳米技术、超声化学、光电化学、脉冲等离子体化学、环境水化学和微生物学等广泛的领域。这些论文多从机理上揭示了重要环境问题或污染防治技术的原理,得到了同行的高度认可并被广泛引用,被SCI引用总计约64805次,H指数高达111。科学索引(Web of Science)将他列为世界上工程领域被引用次数最多的学者之一。

在水处理技术领域,Hoffmann小组正在继续探索超声辐射、半导体光催化、半导体电化学以及利用臭氧作为补充氧化剂的各种方法的组合,以消除水中的化学污染物。近年来,Hoffmann小组积极参与与合成高效水的新型混合半导体材料相关的太阳能生产问题。

Hoffmann教授现为加州理工学院Theodore Y. Wu教授。他于1991年和2005年两次获得德国洪堡基金会洪堡研究奖;2001年,获得美国化学学会Creative Advances奖;2003年获美国水环境基金会Jack E. McKee奖章。2010年,Hoffmann教授被台湾大学聘为大气科学、化学及环境工程学科杰出首席教授。2012年,Hoffmann教授课题组发明由太阳能驱动的电化学废水处理技术,该技术被用于处理厕所废水以改善欠发达地区卫生状况,获得梅琳达·比尔盖茨基金会嘉奖。2015年,该技术获得Vodafone基金会嘉奖。2012年,Hoffmann教授被评为英国皇家工程院杰出访问学者。1975至1980年间,霍夫曼教授获聘明尼苏达大学助理教授并晋升为终身副教授;1980年至今担任加州理工学院环境科学与工程系教授。2011年,Hoffmann教授被评为美国国家工程院院士;2017年,Hoffmann教授被评为中国工程院外籍院士。Hoffmann教授门生众多,其中很多在美国顶尖高校如哈佛大学任职。

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Michael R. Hoffmann教授

任职地:加州理工学院 (Caltech)

当选院士时间:2011年(美国国家工程院院士)

11. CO2地质利用与封存环境风险评价的先驱:Michael Celia

CO2捕集、地质利用与封存(COcapture, utilization and storage, CCUS)是指将电力、钢铁、水泥等行业利用化石能源过程中产生的CO2进行分离和富集,并将获得的CO2注入地下咸水层、油气田、煤层以及岩穴等地下结构中加以利用或长期封存,以实现CO2减排的工业过程。作为大规模集中减排CO2的关键技术之一,中国、美国等温室气体排放大国对于CCUS技术的研发和推广都极为重视。二氧化碳捕集、地质利用与封存属于化工、地质与环境工程的交叉学科,严格说不属于环境工程的主流研究方向。然而,多位环境工程领域的知名学者,比如前文提到的David Dzombak、Greg Lowry、Catherine Peters、Daniel Giammar、Young-shin Jun等人,在这个方向都做出了重要贡献。环境风险是二氧化碳捕集、地质利用与封存得以实施的关键问题,而在该领域最早开展系统研究,做出突出贡献的学者,是普林斯顿大学的Michael Celia教授。

Michael Celia教授现任普林斯顿环境研究所(PEI)主任、普林斯顿大学土木与环境工程系教授、美国地球物理学会(AGU)会士、美国科学促进会(AAAS)会士。他是最早开展二氧化碳地质利用与封存环境风险评价的先驱之一,主要贡献是开发了第一个CO2在咸水层中分布定量计算的解析模型(Nordbotten JM, Celia MA, Bachu S, 2005. Injection and Storage of CO2 in Deep Saline Aquifers: Analytical Solution for CO2 Plume Evolution During Injection, Transport in Porous media 58 (3), 339-360)和CO2通过井筒泄漏量计算的解析模型(Nordbotten JM, Celia MA, Bachu S, Dahle HK, 2005. Semianalyti calsolution for CO2 leakage through an abandoned well,Environmental Science & Technology 39 (2), 602-611)。以上两篇文章均发表于2005年,是二氧化碳地质利用与封存环境风险评价领域发表最早的文献之一。他建立的模型的突出特点是简洁明了、方便易用。Michael Celia教授经常引用爱因斯坦的一句名言来解释他的建模原则:“Everything should be made as simple aspossible but no simpler”。

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Michael Celia教授

任职地:普林斯顿大学

当选院士时间:2016年


谨以此文纪念Morgan教授!Morgan教授虽已离我们远去,但他的学术思想和学术贡献将永存于世界学术殿堂,启迪后人。Morgan教授永垂不朽!

 

张力为

2020.9.26于武汉




http://blog.sciencenet.cn/blog-3913-1256625.html

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