踏實(shí)科研 智慧育人

 

——記上海大學(xué)化學(xué)系研究員嚴(yán)六明

2015-01-13

 

“我只是一名再普通不過(guò)的教授”，上海大學(xué)化學(xué)系研究員、博士生導(dǎo)師嚴(yán)六明在接受本刊記者采訪(fǎng)前多有猶豫，“但后來(lái)考慮到大學(xué)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，離不開(kāi)我們這些普通教授，本科生、研究生平時(shí)面對(duì)的也都是這些普通教授。能夠讓他們了解教授們的工作、生活以及對(duì)一些重要問(wèn)題的看法，或許對(duì)他們會(huì)有所幫助。”基于這樣的考慮，他最終決定分享自己在學(xué)習(xí)、科研和教學(xué)方面的心得。

如果要加以總結(jié)，下面的八個(gè)字或許是對(duì)嚴(yán)六明工作的最佳寫(xiě)照：踏實(shí)科研，智慧育人。

嚴(yán)六明的成長(zhǎng)之路也正是這個(gè)時(shí)代大學(xué)教授的縮影，名校畢業(yè)、國(guó)外深造，繼而回國(guó)任教。1986年從北京大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)后，他先是進(jìn)入浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)做了兩年助教。之后在武漢工業(yè)大學(xué)北京研究生部、中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所攻讀碩士和博士學(xué)位，2003年去往美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)進(jìn)行博士后研究，后在美國(guó)德克薩斯A&M大學(xué)任職。

在美國(guó)工作、生活了將近4年的時(shí)間之后，嚴(yán)六明回國(guó)到上海大學(xué)任教。作為一名計(jì)算化學(xué)家，他目前的主要研究集中于材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是用于燃料電池的質(zhì)子交換膜中質(zhì)子和中性小分子在電場(chǎng)下的遷移及其機(jī)制、質(zhì)子交換膜的設(shè)計(jì)與制備等。

嚴(yán)六明2007年入選上海市浦江人才計(jì)劃，目前已主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利9項(xiàng)，出版專(zhuān)著1部，在國(guó)內(nèi)外重要刊物發(fā)表論文70余篇。其在分子模擬和研究質(zhì)子交換膜等方面的工作獲得國(guó)內(nèi)外同行專(zhuān)家的好評(píng)。

“認(rèn)命”搞化學(xué)

與書(shū)香門(mén)第出身的大科學(xué)家們不同，土生土長(zhǎng)在浙江農(nóng)村的嚴(yán)六明，初中是在自己村辦小學(xué)的附屬中學(xué)上的。

“上海交大有附中，上海大學(xué)有附中，我們村小學(xué)也辦了附中。”說(shuō)到這里，嚴(yán)六明自己也樂(lè)了。小學(xué)的老師到初中教他們，化學(xué)老師用的是教語(yǔ)文的方法：劃分段落、概括大意——其實(shí)老師自己就沒(méi)學(xué)過(guò)化學(xué)。

兩年之后嚴(yán)六明升到鄉(xiāng)初中讀初三，個(gè)子小小的他坐在第一排，上第一堂化學(xué)課就被老師批評(píng)了。

“老師說(shuō)，書(shū)這么干凈，一看就沒(méi)有好好學(xué)習(xí)。他上課講分子式、方程式，我完全聽(tīng)不懂。”老師為聽(tīng)不懂的同學(xué)專(zhuān)門(mén)開(kāi)了小灶，放學(xué)后留校補(bǔ)課。

短短兩周的時(shí)間里，嚴(yán)六明愣是把自己兩年間落下的課程補(bǔ)完了。

但是，鄉(xiāng)初中的條件仍然十分有限，學(xué)校唯一的實(shí)驗(yàn)儀器是一根試管——還是化學(xué)老師的大學(xué)同學(xué)送給他的。

“后來(lái)那根試管不知道怎么搞壞了，后面的同學(xué)也就看不到試管了。”嚴(yán)六明回憶道。

在這樣艱苦的學(xué)習(xí)條件下，初中畢業(yè)后，嚴(yán)六明仍然以?xún)?yōu)異的成績(jī)考入縣重點(diǎn)高中。由于，當(dāng)時(shí)流傳“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”這句口號(hào)，數(shù)理化成為他專(zhuān)業(yè)的不二選擇——其中他最喜歡的是物理，是他高考時(shí)的第一志愿。

但命運(yùn)冥冥之中跟他開(kāi)了個(gè)玩笑——“但我物理考得不太好，化學(xué)考得出奇得好。”即便順利考取北京大學(xué)化學(xué)系，嚴(yán)六明仍然一心想著學(xué)物　　 理。

“后來(lái)考研究生我還想學(xué)物理，但是也沒(méi)考上。最后就認(rèn)命了。”或許上帝跟他開(kāi)了個(gè)玩笑，誤打誤撞之中，嚴(yán)六明與化學(xué)結(jié)下了不解之緣。之后一路讀完碩士、博士，走上了標(biāo)準(zhǔn)的科研道路。

破除對(duì)科學(xué)的過(guò)度崇拜

在改革開(kāi)放后的出國(guó)熱潮中，嚴(yán)六明應(yīng)邀前往南卡羅萊納大學(xué)做博士后，進(jìn)行分子電子學(xué)方面的研究。

“摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登•摩爾提出來(lái)的，內(nèi)容是當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。”目前，這種趨勢(shì)已經(jīng)持續(xù)了超過(guò)半個(gè)世紀(jì)，預(yù)計(jì)摩爾定律將持續(xù)到至少2015年或2020年。嚴(yán)六明解釋說(shuō)道：“但是，里邊的電子線(xiàn)路越來(lái)越小，小到一定程度摩爾定律就失效了。失效了之后，微電子工業(yè)就不能繼續(xù)這樣蓬勃發(fā)展，會(huì)面臨瓶頸。”

基于這樣的理由，分子電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。他們希望改變“自大到小”的傳統(tǒng)制造方式，改用單個(gè)分子、超分子或分子簇代替硅基半導(dǎo)體晶體管等固體電子學(xué)元件組裝邏輯電路，乃至組裝完整的分子計(jì)算機(jī)。

“我的老板（導(dǎo)師）在做分子電子學(xué)方面的計(jì)算，研究電子怎么遷移到分子里面，電阻是多少等問(wèn)題。因此，我到美國(guó)最初就是計(jì)算電子在分子中的遷移。”嚴(yán)六明總結(jié)說(shuō)。

談到在美國(guó)最大的收獲，嚴(yán)六明說(shuō)除了專(zhuān)業(yè)上的積累之外，最重要的是他開(kāi)始破除了對(duì)于科學(xué)的過(guò)度崇拜。

“在國(guó)內(nèi)大家都知道科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，宣傳學(xué)習(xí)的都是科研精英。我們覺(jué)得做科研就是要做這樣的尖端技術(shù)，才能為國(guó)家發(fā)展做出貢獻(xiàn)。但是我到了美國(guó)，開(kāi)始覺(jué)得科學(xué)的力量是很小的，科學(xué)不能解決所有的社會(huì)問(wèn)題、甚至不能解決科學(xué)本身的問(wèn)題。事實(shí)上，科學(xué)只能解決實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法所能解決的問(wèn)題。”

他同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，自己曾經(jīng)仰望的科學(xué)大家，其實(shí)就是個(gè)普通人。在南卡羅萊納工作時(shí)，系里請(qǐng)了一位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主來(lái)做報(bào)告。

“他自己坐飛機(jī)過(guò)來(lái)，系里也沒(méi)有派人去接他，自己在機(jī)場(chǎng)租個(gè)車(chē)就來(lái)了。沒(méi)有人把他當(dāng)個(gè)角色。美國(guó)的教授也都是勤勤懇懇，生活說(shuō)實(shí)話(huà)很枯燥，哪有什么吃喝玩樂(lè)。每天就是寫(xiě)文章、寫(xiě)申請(qǐng)報(bào)告、教學(xué)生，有空的時(shí)候跟學(xué)生聊聊。他們的樂(lè)趣就是一篇文章發(fā)表、一個(gè)學(xué)生畢業(yè)了，或者申請(qǐng)到一個(gè)基金，可以干新的活兒了。就這么點(diǎn)樂(lè)趣。”

這樣的文化顯然與中國(guó)千百年來(lái)“讀書(shū)做官”的傳統(tǒng)不同，“以前讀書(shū)人少，讀書(shū)可以出人頭地；現(xiàn)在讀書(shū)人多，不可能每個(gè)人都出人頭地”。

美國(guó)教會(huì)嚴(yán)六明最重要的事是——“我在美國(guó)工作后更踏實(shí)了，放棄了那些不切實(shí)際的追求。做科研就是每天踏踏實(shí)實(shí)、一點(diǎn)一滴地做唄。”

質(zhì)子導(dǎo)電材料的設(shè)計(jì)

回國(guó)后他曾經(jīng)想要繼續(xù)進(jìn)行分子電子學(xué)方面的相關(guān)研究，卻被國(guó)內(nèi)同行告知相較目前的科研水平，類(lèi)似的研究過(guò)于超前。但嚴(yán)六明在物理和化學(xué)兩方面的積累卻慢慢顯現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)，理論化學(xué)也隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展受到越來(lái)越多的認(rèn)可。

不少人一聽(tīng)化學(xué)，就自動(dòng)跟瓶瓶罐罐以及天天呆在實(shí)驗(yàn)室畫(huà)上了等號(hào)。但其實(shí)用瓶瓶罐罐做實(shí)驗(yàn)只是研究化學(xué)的一種方法。

“談到物理學(xué)，大家就會(huì)想到很多方程、很多數(shù)學(xué)方法，但其實(shí)物理當(dāng)中也有很多實(shí)驗(yàn)。化學(xué)的實(shí)驗(yàn)多一點(diǎn)，理論少一點(diǎn)。現(xiàn)在化學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新的計(jì)算模擬的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分子的性質(zhì)與運(yùn)動(dòng)、相互之間的作用，也就是計(jì)算化學(xué)。”

2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的三位得主，正是因?yàn)閯?chuàng)立了“多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型”而受獎(jiǎng)。化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速度堪比光速，剎那間電子就從一個(gè)原子跳到另一個(gè)原子。以前對(duì)化學(xué)反應(yīng)的每個(gè)步驟進(jìn)行追蹤幾乎是不可能完成的任務(wù)，但在多尺度模型的輔助下，計(jì)算機(jī)成為化學(xué)家們的“好幫手”，可以全面地揭示整個(gè)化學(xué)過(guò)程。如同諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)在聲明中闡述的一般——現(xiàn)在對(duì)化學(xué)家來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)是同試管一樣重要的工具。

“以前出去說(shuō)‘我做計(jì)算化學(xué)的’，大家會(huì)覺(jué)得‘哦，你就是算算而已’。現(xiàn)在一說(shuō)，大家都覺(jué)得很了不起。”通過(guò)計(jì)算化學(xué)家的計(jì)算，可以大大縮短實(shí)驗(yàn)的周期，降低研發(fā)成本。

新能源汽車(chē)作為目前世界各國(guó)積極探索的領(lǐng)域，正在受到越來(lái)越多的重視和支持。但充電時(shí)間長(zhǎng)、電池壽命短的問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著電動(dòng)汽車(chē)的市場(chǎng)推廣。新能源汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的第二種選擇是燃料電池，把氫氣轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)氫能經(jīng)濟(jì)。

氫氣燃料電池技術(shù)，由于具有污染小、能量密度和轉(zhuǎn)化效率高的特點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具前途的能源技術(shù)之一。在各種氫氣燃料電池技術(shù)中，中間溫度的高分子全氟磺酸質(zhì)子交換膜燃料電池，在技術(shù)上最為成熟。但其價(jià)格、高溫性能和水熱管理目前嚴(yán)重影響著質(zhì)子交換膜氫氣燃料電池的推廣使用。嚴(yán)六明目前正在從事的課題之一，就是如何改善燃料電池中質(zhì)子交換膜的性能。

嚴(yán)六明解釋說(shuō)：“溫度過(guò)高，由于水分蒸發(fā)過(guò)快而引起膜的導(dǎo)電性能的下降，嚴(yán)重影響燃料電池的性能。溫度過(guò)低，由于水的電滲遷移而導(dǎo)致陰極上有過(guò)多的水而淹沒(méi)催化劑，影響空氣向催化劑的擴(kuò)散，使燃料電池不能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作。”

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究水分子在質(zhì)子交換膜中的遷移機(jī)制。他們引進(jìn)了一種分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，利用水分子和水合氫離子的速度分布函數(shù)研究水的電滲遷移。該方法大大降低了模擬電場(chǎng)的強(qiáng)度，使電場(chǎng)作用在水合氫離子上的力遠(yuǎn)低于水分子間的相互吸引力，克服了電場(chǎng)對(duì)模擬結(jié)果的影響。這些研究對(duì)科研人員充分認(rèn)識(shí)質(zhì)子交換膜中水等的遷移現(xiàn)象及其機(jī)理，改善質(zhì)子交換膜的性能提供了理論依據(jù)。在研究不依賴(lài)于水的耐高溫質(zhì)子交換膜時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)酸堿復(fù)合體系的質(zhì)子電導(dǎo)率普遍高于單組分體系，具有協(xié)同效應(yīng)。利用協(xié)同效應(yīng)，可以通過(guò)復(fù)合的方法設(shè)計(jì)高性能質(zhì)子交換膜，大大提高研發(fā)效率。

除此之外，嚴(yán)六明在分子器件的理論建模和模擬領(lǐng)域也取得了重要成績(jī)。在集成電路制造領(lǐng)域，隨著微電子元件的尺寸的不斷縮小，元件間的連線(xiàn)直徑也相應(yīng)地不斷縮小，引起連線(xiàn)的寄生電阻及其電耗不斷增大。目前，散熱已成為制約高性能集成電路發(fā)展的一個(gè)重要因素。未來(lái)超高集成度的納米電路，可能根本無(wú)法承受電路本身所散發(fā)的熱量，因此，用電流傳輸信息這種模式或許將會(huì)徹底改變。

基于對(duì)生命體系中信息傳輸過(guò)程時(shí)化學(xué)物質(zhì)之間的相互耦合和分離、分子構(gòu)型的變化等事實(shí)的借鑒，嚴(yán)六明等提出了利用分子振動(dòng)時(shí)構(gòu)型的變化來(lái)傳輸信息的概念。他們利用計(jì)算機(jī)模擬的方法成功實(shí)現(xiàn)了概念的證明，并且顯示，利用調(diào)制和解調(diào)技術(shù)可以將數(shù)字信號(hào)在分子上傳輸20nm以上。該概念及其相關(guān)的模擬結(jié)果最早發(fā)表在2005年10月份的Proceedings of IEEE的Blue Sky專(zhuān)輯上。美國(guó)IEEE學(xué)會(huì)的重要刊物IEEE-USA Today’s Engineering將該研究方向評(píng)選為未來(lái)科技研究的重要方向。

赤誠(chéng)育人

除了科研工作之外，教書(shū)育人占據(jù)了嚴(yán)六明的另外大部分時(shí)間。他自己的兒子現(xiàn)在也是一名大學(xué)生，促使他對(duì)于當(dāng)代的大學(xué)教育進(jìn)行了更多的換位思考。

“剛開(kāi)始教書(shū)時(shí)總根據(jù)自己上學(xué)時(shí)的體會(huì)來(lái)教學(xué)生、要求學(xué)生”。通過(guò)換位思考，嚴(yán)六明認(rèn)識(shí)到：“現(xiàn)在這個(gè)時(shí)代，大學(xué)生知道的信息不比教授少，不知道的東西百度一下也就有了。”與很多人說(shuō)現(xiàn)在的大學(xué)生基礎(chǔ)差、不好教的觀點(diǎn)不同，嚴(yán)六明認(rèn)為現(xiàn)在的大學(xué)生知道的信息更多，知識(shí)面更廣。他們的缺點(diǎn)是“缺乏判斷和選擇能力，難以在不同目標(biāo)之間進(jìn)行取舍，不知道知識(shí)不等于能力，更不等于智慧。”因此，嚴(yán)六明把教學(xué)的重點(diǎn)，不是放在傳授知識(shí)方面，而是放在培養(yǎng)學(xué)生的選擇判斷能力、解決實(shí)際問(wèn)題的能力，以及幫助學(xué)生積累智慧等方面。

在教學(xué)方法上，嚴(yán)六明更重視方式。“怎么教好這些孩子，最重要的是要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，由適當(dāng)?shù)娜苏f(shuō)適當(dāng)?shù)脑?huà)。你天天說(shuō)他們哪里聽(tīng)得進(jìn)去。”不管是對(duì)自己的兒子還是學(xué)生，嚴(yán)六明都會(huì)煞費(fèi)苦心地請(qǐng)他們的同齡人或者年紀(jì)稍長(zhǎng)一點(diǎn)的人來(lái)說(shuō)一些話(huà)。“中國(guó)人老說(shuō)貴人指點(diǎn)，其實(shí)貴人不一定是偉大的人。這些人說(shuō)的話(huà)他聽(tīng)進(jìn)去了，就都是貴人。”

越來(lái)越多的大學(xué)生意味著就業(yè)時(shí)愈發(fā)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，化學(xué)系的畢業(yè)生如果不走科研道路的話(huà)，許多學(xué)生用不上本專(zhuān)業(yè)的知識(shí)。教學(xué)生的時(shí)候，嚴(yán)六明希望能夠培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的能力，希望能夠?qū)�化學(xué)之外的專(zhuān)業(yè)同樣有幫助；而學(xué)生們往往希望老師簡(jiǎn)單地講講題目、畫(huà)畫(huà)重點(diǎn)就好了。

“我只能盡最大努力幫助他們。有的研究生說(shuō)老師不教具體的知識(shí)和技能，但其實(shí)我最重視的是他能力的成長(zhǎng)，督促他、啟發(fā)他、等他，讓他自己發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的方法。而不是我去教他解決問(wèn)題的方法。”

為人師者的赤誠(chéng)之心可見(jiàn)一斑。嚴(yán)六明或許只是當(dāng)下中國(guó)普通的大學(xué)教授，但正是這些普通的科研工作者構(gòu)成了我們的基礎(chǔ)科研和教育力量。踏實(shí)科研、智慧育人，他們或許平凡，但絕不平庸。

      來(lái)源：科學(xué)中國(guó)人 2015年第1期