踏實科研 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前多有猶豫，“但后來考慮到大學(xué)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，離不開我們這些普通教授，本科生、研究生平時面對的也都是這些普通教授。能夠讓他們了解教授們的工作、生活以及對一些重要問題的看法，或許對他們會有所幫助。”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)，下面的八個字或許是對嚴(yán)六明工作的最佳寫照：踏實科研，智慧育人。

嚴(yán)六明的成長之路也正是這個時代大學(xué)教授的縮影，名校畢業(yè)、國外深造，繼而回國任教。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年去往美國南卡羅來納大學(xué)進(jìn)行博士后研究，后在美國德克薩斯A&M大學(xué)任職。

在美國工作、生活了將近4年的時間之后，嚴(yán)六明回國到上海大學(xué)任教。作為一名計算化學(xué)家，他目前的主要研究集中于材料設(shè)計領(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下的遷移及其機(jī)制、質(zhì)子交換膜的設(shè)計與制備等。

嚴(yán)六明2007年入選上海市浦江人才計劃，目前已主持國家自然科學(xué)基金3項，申請發(fā)明專利9項，出版專著1部，在國內(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內(nèi)外同行專家的好評。

“認(rèn)命”搞化學(xué)

與書香門第出身的大科學(xué)家們不同，土生土長在浙江農(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。”說到這里，嚴(yán)六明自己也樂了。小學(xué)的老師到初中教他們，化學(xué)老師用的是教語文的方法：劃分段落、概括大意——其實老師自己就沒學(xué)過化學(xué)。

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

“老師說，書這么干凈，一看就沒有好好學(xué)習(xí)。他上課講分子式、方程式，我完全聽不懂。”老師為聽不懂的同學(xué)專門開了小灶，放學(xué)后留校補(bǔ)課。

短短兩周的時間里，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)校唯一的實驗儀器是一根試管——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)六明仍然以優(yōu)異的成績考入縣重點(diǎn)高中。由于，當(dāng)時流傳“學(xué)好數(shù)理化，走遍天下都不怕”這句口號，數(shù)理化成為他專業(yè)的不二選擇——其中他最喜歡的是物理，是他高考時的第一志愿。

但命運(yùn)冥冥之中跟他開了個玩笑——“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。

“后來考研究生我還想學(xué)物理，但是也沒考上。最后就認(rèn)命了。”或許上帝跟他開了個玩笑，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。

破除對科學(xué)的過度崇拜

在改革開放后的出國熱潮中，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•摩爾提出來的，內(nèi)容是當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。”目前，這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了超過半個世紀(jì)，預(yù)計摩爾定律將持續(xù)到至少2015年或2020年。嚴(yán)六明解釋說道：“但是，里邊的電子線路越來越小，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算機(jī)。

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

談到在美國最大的收獲，嚴(yán)六明說除了專業(yè)上的積累之外，最重要的是他開始破除了對于科學(xué)的過度崇拜。

“在國內(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。我們覺得做科研就是要做這樣的尖端技術(shù)，才能為國家發(fā)展做出貢獻(xiàn)。但是我到了美國，開始覺得科學(xué)的力量是很小的，科學(xué)不能解決所有的社會問題、甚至不能解決科學(xué)本身的問題。事實上，科學(xué)只能解決實驗科學(xué)方法所能解決的問題。”

他同時也發(fā)現(xiàn)，自己曾經(jīng)仰望的科學(xué)大家，其實就是個普通人。在南卡羅萊納工作時，系里請了一位諾貝爾化學(xué)獎得主來做報告。

“他自己坐飛機(jī)過來，系里也沒有派人去接他，自己在機(jī)場租個車就來了。沒有人把他當(dāng)個角色。美國的教授也都是勤勤懇懇，生活說實話很枯燥，哪有什么吃喝玩樂。每天就是寫文章、寫申請報告、教學(xué)生，有空的時候跟學(xué)生聊聊。他們的樂趣就是一篇文章發(fā)表、一個學(xué)生畢業(yè)了，或者申請到一個基金，可以干新的活兒了。就這么點(diǎn)樂趣。”

這樣的文化顯然與中國千百年來“讀書做官”的傳統(tǒng)不同，“以前讀書人少，讀書可以出人頭地；現(xiàn)在讀書人多，不可能每個人都出人頭地”。

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

質(zhì)子導(dǎo)電材料的設(shè)計

回國后他曾經(jīng)想要繼續(xù)進(jìn)行分子電子學(xué)方面的相關(guān)研究，卻被國內(nèi)同行告知相較目前的科研水平，類似的研究過于超前。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，理論化學(xué)也隨著計算機(jī)的高速發(fā)展受到越來越多的認(rèn)可。

不少人一聽化學(xué)，就自動跟瓶瓶罐罐以及天天呆在實驗室畫上了等號。但其實用瓶瓶罐罐做實驗只是研究化學(xué)的一種方法。

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

2013年諾貝爾化學(xué)獎的三位得主，正是因為創(chuàng)立了“多尺度復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)模型”而受獎。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原子跳到另一個原子。以前對化學(xué)反應(yīng)的每個步驟進(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，計算機(jī)成為化學(xué)家們的“好幫手”，可以全面地揭示整個化學(xué)過程。如同諾貝爾化學(xué)獎評選委員會在聲明中闡述的一般——現(xiàn)在對化學(xué)家來說，計算機(jī)是同試管一樣重要的工具。

“以前出去說‘我做計算化學(xué)的’，大家會覺得‘哦，你就是算算而已’。現(xiàn)在一說，大家都覺得很了不起。”通過計算化學(xué)家的計算，可以大大縮短實驗的周期，降低研發(fā)成本。

新能源汽車作為目前世界各國積極探索的領(lǐng)域，正在受到越來越多的重視和支持。但充電時間長、電池壽命短的問題長期困擾著電動汽車的市場推廣。新能源汽車動力系統(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：“溫度過高，由于水分蒸發(fā)過快而引起膜的導(dǎo)電性能的下降，嚴(yán)重影響燃料電池的性能。溫度過低，由于水的電滲遷移而導(dǎo)致陰極上有過多的水而淹沒催化劑，影響空氣向催化劑的擴(kuò)散，使燃料電池不能長時間持續(xù)工作。”

針對這個問題，他帶領(lǐng)團(tuán)隊研究水分子在質(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的強(qiáng)度，使電場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，克服了電場對模擬結(jié)果的影響。這些研究對科研人員充分認(rèn)識質(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)。在研究不依賴于水的耐高溫質(zhì)子交換膜時，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)，可以通過復(fù)合的方法設(shè)計高性能質(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。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，元件間的連線直徑也相應(yīng)地不斷縮小，引起連線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)展的一個重要因素。未來超高集成度的納米電路，可能根本無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徹底改變。

基于對生命體系中信息傳輸過程時化學(xué)物質(zhì)之間的相互耦合和分離、分子構(gòu)型的變化等事實的借鑒，嚴(yán)六明等提出了利用分子振動時構(gòu)型的變化來傳輸信息的概念。他們利用計算機(jī)模擬的方法成功實現(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專輯上。美國IEEE學(xué)會的重要刊物IEEE-USA Today’s Engineering將該研究方向評選為未來科技研究的重要方向。

赤誠育人

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

“剛開始教書時總根據(jù)自己上學(xué)時的體會來教學(xué)生、要求學(xué)生”。通過換位思考，嚴(yán)六明認(rèn)識到：“現(xiàn)在這個時代，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)，不是放在傳授知識方面，而是放在培養(yǎng)學(xué)生的選擇判斷能力、解決實際問題的能力，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候，由適當(dāng)?shù)娜苏f適當(dāng)?shù)脑挕Ｄ闾焯煺f他們哪里聽得進(jìn)去。”不管是對自己的兒子還是學(xué)生，嚴(yán)六明都會煞費(fèi)苦心地請他們的同齡人或者年紀(jì)稍長一點(diǎn)的人來說一些話。“中國人老說貴人指點(diǎn)，其實貴人不一定是偉大的人。這些人說的話他聽進(jìn)去了，就都是貴人。”

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

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

為人師者的赤誠之心可見一斑。嚴(yán)六明或許只是當(dāng)下中國普通的大學(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。踏實科研、智慧育人，他們或許平凡，但絕不平庸。

      來源：科學(xué)中國人 2015年第1期