多點(diǎn)耕耘多面開花

于曉杰 馮陽陽

除了作為國家公派博士研究生訪問加拿大麥克馬斯特大學(xué)兩年外，從讀本科到如今留校任教，李劍鋒將自己大半的青春歲月?lián)]灑在了復(fù)旦大學(xué)，而母校同樣也見證了他一路走來的成長與收獲。

踏足高分子科學(xué)領(lǐng)域十余年來，李劍鋒取得了傲人的成果。他完成的碳纖維氧化炭化成套工藝優(yōu)化項(xiàng)目，直接為企業(yè)實(shí)現(xiàn)850萬元年銷售收入；他將自洽場方法拓展至普通曲面，2014年被歐洲物理學(xué)報(bào)E作為封面文章報(bào)道。

然而，李劍鋒似乎是個(gè)“不安分”的科研者。他思維活躍，興趣廣泛，漸漸將研究觸角延伸到了意識科學(xué)領(lǐng)域。在這個(gè)無形的世界中，他構(gòu)建出一套意識科學(xué)理論。

一個(gè)問題千次實(shí)驗(yàn)

21世紀(jì)，我們進(jìn)入了一個(gè)新型材料時(shí)代。各種新型材料如雨后春筍般出現(xiàn)，它們正悄然改變著我們的生活?！疤祭w維”是材料大家族的其中一員，這是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料，由片狀石墨微晶等沿纖維軸向方向堆砌而成。用“外柔內(nèi)剛”來形容碳纖維最適合不過。它質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。另外，它不僅具有碳材料的固有本征特性，同時(shí)兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。因此，碳纖維在國防軍工和民用方面都屬于重要材料。

我國開展對碳纖維的研究已有近40年歷史，雖然多家單位都取得了一定的實(shí)驗(yàn)室成果，但由于產(chǎn)品成本高、質(zhì)量不穩(wěn)定，連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)難于實(shí)現(xiàn)。上海具有良好的碳纖維研發(fā)基礎(chǔ)，復(fù)旦、東華等多家高校和中科院有機(jī)所等院所都先后取得了一些科研成果，但同樣未能邁向產(chǎn)業(yè)化。

2012年，上海石化—復(fù)旦大學(xué)成立了碳纖維研究課題組。項(xiàng)目組圍繞碳纖維生產(chǎn)過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括聚合、紡絲、整理、氧化碳化等開展攻關(guān)。李劍鋒作為青年科技骨干參加其中并主要承擔(dān)氧化炭化工藝基礎(chǔ)研究的具體工作。

目前，國內(nèi)氧化炭化工藝參數(shù)的獲得主要靠試驗(yàn)試錯，對整個(gè)工藝的物理化學(xué)機(jī)理并沒有一個(gè)清晰的理論認(rèn)識。這也是我國碳纖維制品品質(zhì)不高的重要原因所在。李劍鋒結(jié)合自己的基礎(chǔ)研究背景，將高分子物理理論運(yùn)用到研究碳纖維生產(chǎn)工藝中氧化炭化過程，并創(chuàng)造性地提出耦合雙化學(xué)反應(yīng)的拉伸流變學(xué)理論模型，很好地解釋了聚丙烯腈原絲氧化炭化過程中發(fā)生的物理化學(xué)過程。

為了驗(yàn)證這個(gè)理論，李劍鋒先后帶領(lǐng)50多個(gè)研究生做了上千次原絲氧化炭化拉伸流變學(xué)實(shí)驗(yàn)。功夫不負(fù)有心人，他們最終在實(shí)驗(yàn)和理論的基礎(chǔ)上提出了氧化碳化生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化的成套解決方案。方案指出，恰當(dāng)?shù)靥幚砗醚趸炕^程中的物理松弛與化學(xué)反應(yīng)的矛盾、及避免高溫氧化區(qū)的碳流失是提高碳纖維材料強(qiáng)度和模量的關(guān)鍵。

李劍鋒不僅給出了定性指導(dǎo)原則，還促使成套解決方案直接從理論上算出可直接應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)的工藝參數(shù)，“針對任意一種原絲，通過實(shí)驗(yàn)測量擬合基本模型參數(shù)，然后用耦合雙化學(xué)反應(yīng)的拉伸流變化學(xué)模型模擬分析得到初步優(yōu)化工藝參數(shù)，再通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證工藝參數(shù)，最后將工藝參數(shù)直接運(yùn)用于碳纖維的實(shí)際生產(chǎn)中”，他詳細(xì)介紹道。

目前，此成套解決方案已成功地應(yīng)用于上海石化1500噸/年碳纖維生產(chǎn)線，為上海石化實(shí)現(xiàn)T300碳纖維的規(guī)?；⒎€(wěn)定化量產(chǎn)奠定了夯實(shí)基礎(chǔ)。這一成果的發(fā)現(xiàn)，不僅提高國內(nèi)碳纖維行業(yè)對氧化碳化工藝全方面的認(rèn)知水平，還在一定程度上推動了我國碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，研發(fā)出高性能和高品質(zhì)的產(chǎn)品系列。數(shù)據(jù)顯示，2014年，上海石化累計(jì)銷售碳纖維108.24噸，實(shí)現(xiàn)850萬元年銷售收入。

復(fù)雜空間中的高分子研究

高分子材料制備往往離不開熱力學(xué)研究。在聚合物熱力學(xué)研究中，自洽場理論是目前平均場層次上，最為精確、系統(tǒng)、完整的理論。它也成為研究高分子體系相平衡態(tài)結(jié)構(gòu)問題中一個(gè)十分重要的理論方法。據(jù)悉，該方法最初由英國理論物理學(xué)家Edwards于上世紀(jì)60年代中期提出，隨后由Helfand， Noolandi等將該理論引入到了嵌段共聚物等多相高分子體系中。

自洽場實(shí)空間方法往往主要被用于二維平面周期和三維立方周期性條件下的嵌段共聚物微相分離研究，體系為球面的情況卻很少受到科研者的關(guān)注。然而在廣袤的生物界中，存在很多像球面一樣有界無限體系的物質(zhì)。因此，研究嵌段共聚物在球面上的微相分離具有重大意義。

2006年，李劍鋒首次將自洽場實(shí)空間方法拓展至球面上，并研究了兩嵌段及三嵌段共聚物的微相分離形態(tài)。他比最早提出自洽場理論實(shí)空間解法的Fredrickson把自洽場理論拓展至球面，整整早了1年。在文中，F(xiàn)redrickson及其合作者充分肯定了李劍鋒方法的首創(chuàng)性。然而，他們采用的是準(zhǔn)譜法，“這個(gè)方法的缺點(diǎn)是需要構(gòu)造基函數(shù)，但普通曲面一般沒有基函數(shù)，因此不能進(jìn)一步拓展至曲面”，李劍鋒意識到問題的所在。

后來，李劍鋒提出了自己的研究方法。其實(shí)，他的方法除了坐標(biāo)系有所不同外，其它的思想和方法都與原來平直空間上的做法一致。不同于平面上的田字網(wǎng)格劃分——他采用球面二十面體的三角網(wǎng)格劃分離散球面上的點(diǎn)。

隨著研究的進(jìn)一步深入，成果漸漸顯現(xiàn)。李劍鋒寫出了球面拉普拉斯差分算子的分裂形式，因此，“我們同樣可以設(shè)計(jì)球面及普通曲面的交替隱式格式”。對于平面、球面、普通曲面上三種交替隱式格式的不同，李劍鋒形象地比喻道“前人像紡織工人一般通過經(jīng)緯兩個(gè)方向編織田字網(wǎng)格，然后分別在經(jīng)、緯兩個(gè)方向設(shè)計(jì)交替隱式格式；我們用六條寬的絲帶將球面裹起來，然后在每條帶子上設(shè)計(jì)交替隱式格式；最后，我們像手工者用竹篾編織籃子一樣編織普通曲面，然后在每根竹篾上設(shè)計(jì)交替隱式格式”。就這樣，他將球面自洽場方法拓展至普通曲面。至此，他們完全解除了自洽場方法在空間形式上的限制。同時(shí)歐洲物理學(xué)報(bào)E將這一重大突破作為2014年封面文章進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道。

探索細(xì)胞的微觀世界

細(xì)胞是生物體的最基本形式。探尋復(fù)雜而又神秘的生命活動，我們可以從小小的細(xì)胞里找尋到很多未知的答案。當(dāng)下，如何研究單細(xì)胞的復(fù)雜性進(jìn)而規(guī)模更大的生命形式，乃至整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，無疑是擺在生物學(xué)家面前一個(gè)充滿挑戰(zhàn)性的課題。事實(shí)上，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究思路和分析方式早已無法勝任目前高標(biāo)準(zhǔn)的研究要求，僅憑生物學(xué)家自身也是力所不及。但幸運(yùn)的是，計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展到今天，已達(dá)到相當(dāng)發(fā)達(dá)的程度，借助多學(xué)科交叉的力量或許可以為研究提供新途徑，一門名為“生物信息學(xué)”的學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生。

典型研究案例是日本Keio大學(xué)學(xué)者設(shè)計(jì)的電子細(xì)胞和美國康涅狄格州州立大學(xué)學(xué)者設(shè)計(jì)的虛擬細(xì)胞，即允許生物學(xué)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)人工環(huán)境里運(yùn)行。自此，生物學(xué)家將有可能利用這種新的工具來研究對于常規(guī)實(shí)驗(yàn)技術(shù)來說要漫長或復(fù)雜困難的生命過程機(jī)制。

李劍鋒同樣認(rèn)為，未來生物物理的一個(gè)重要發(fā)展方向是生物計(jì)算機(jī)模擬。他說，要真正模擬細(xì)胞及其它生命體系的生理過程，首要解決的是模擬細(xì)胞及其它細(xì)胞器復(fù)雜的形變過程。

在相分離動力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬中，普通的做法是先對連續(xù)的自由能進(jìn)行變分得到連續(xù)的動力學(xué)方程，然后再對動力學(xué)方程進(jìn)行離散。但此方法存在一個(gè)嚴(yán)重缺陷：由于動力學(xué)方程中經(jīng)常會出現(xiàn)一階或二階微分算符，如何對這些算符進(jìn)行離散至今沒有統(tǒng)一的恰當(dāng)方案，離散不當(dāng)將導(dǎo)致數(shù)值模擬不穩(wěn)定。

經(jīng)過研究，李劍鋒發(fā)展出一套高效穩(wěn)定的模擬細(xì)胞和囊泡劇烈形變的數(shù)值方法——離散空間變分法，即先對自由能進(jìn)行離散，然后對離散的自由能做變分直接得到離散的動力學(xué)方程。這種方法巧妙地回避了上述問題。

根據(jù)離散空間變分法，李劍鋒成功地對二維囊泡動力學(xué)過程進(jìn)行了模擬，隨后和已有的理論方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果顯示二者完全一致。也就是說，離散空間變分法正確可靠。同時(shí)，李劍鋒還從模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)這種模擬方法具有穩(wěn)定、光滑和模擬速度快的特點(diǎn)，更重要的是它可以考慮膜與膜之間的長程相互作用?！半x散空間變分法在一定程度上解決了自由能方程的數(shù)值計(jì)算問題，這種方法并不需要預(yù)先假設(shè)囊泡的對稱性，也就意味著直接推廣到更一般的三維囊泡和多組分的囊泡也是可行的?！?/p>

此工作2013年被J. Phys. Chem. B作為封面文章報(bào)道。值得注意的是，離散空間變分法也可用于解釋金晶格起泡、帶電囊泡和紅血球穿過毛細(xì)血管等體系，應(yīng)用前景廣泛。

開啟另一扇門

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，生命科學(xué)家開始關(guān)注神奇的大腦，各國也紛紛提出各自的腦計(jì)劃。如火如荼中，一個(gè)更基礎(chǔ)的、也極富爭議性的領(lǐng)域卻被大家忽視，那就是“意識科學(xué)”。人類對意識的研究有著悠久的歷史，在古代，它純粹是一個(gè)哲學(xué)問題；在西方哲學(xué)傳統(tǒng)中，它主要以心身問題的形式表現(xiàn)，漸漸從傳統(tǒng)的心身變?yōu)楫?dāng)今的意識科學(xué)。

李劍鋒清晰地認(rèn)識到，實(shí)施腦計(jì)劃的終點(diǎn)應(yīng)該就是意識科學(xué)，“但由于目前大多數(shù)科學(xué)家都覺得離這個(gè)目標(biāo)太遠(yuǎn)而干脆不去怎么提及”。時(shí)光倒退回2003年，李劍鋒進(jìn)入了這個(gè)嶄新的領(lǐng)域。直到現(xiàn)在，他也是我國為數(shù)不多從事嚴(yán)肅的意識科學(xué)研究的學(xué)者。樂于分享的他還開設(shè)了自己的社交賬號，在上面交流自己關(guān)于意識科學(xué)的點(diǎn)滴想法。

談及意識科學(xué)，一定繞不開著名的“困難問題”。李劍鋒在其編纂的“困難問題”的百度百科中這樣寫道：現(xiàn)在困難問題一般特指意識科學(xué)中的困難問題。1995年，著名的哲學(xué)家查爾默絲對意識科學(xué)中的問題進(jìn)行了分類，認(rèn)為大致可分成簡單問題與困難問題。簡單問題是指可歸結(jié)為結(jié)構(gòu)和功能的問題，比如所有的認(rèn)知相關(guān)的問題都為簡單問題，當(dāng)然目前很熱的人工智能相關(guān)的問題亦為簡單問題；而困難問題是指不能歸結(jié)為結(jié)構(gòu)和功能的問題，一般此類問題主要涉及到解釋意識體驗(yàn)的來源及其本質(zhì)。

沉浸數(shù)載，2013年李劍鋒終于發(fā)聲。他提出了無時(shí)空的意識量子理論，并從理論上預(yù)測“意識可能并非一堆分子運(yùn)動的浮現(xiàn)現(xiàn)象，意識主體本身可能就是一個(gè)自由度非常高的基本粒子，大腦是穩(wěn)定此類粒子的一臺復(fù)雜的機(jī)器，因此一旦大腦不能再穩(wěn)定此粒子，該粒子將會彌散至環(huán)境中導(dǎo)致大腦質(zhì)量下降，即便大腦此時(shí)在嚴(yán)格的封閉環(huán)境中。”這是國際上目前關(guān)于意識的少有幾個(gè)比較完整的物理理論，如果其中一些理論預(yù)測能被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的話，它極有可能成為未來意識科學(xué)的基礎(chǔ)理論及范式。若事實(shí)如此，李劍鋒將在意識科學(xué)的歷史卷軸上留下濃墨重彩的一筆。

愛因斯坦曾說，不要希圖成為一個(gè)成功的人，而要努力成為一個(gè)有價(jià)值的人。李劍鋒做到了。他執(zhí)著堅(jiān)持，一個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)千次直到成功；他勇于創(chuàng)新，將已有理論應(yīng)用于新領(lǐng)域；他緊隨前沿，在生物信息領(lǐng)域探索微觀世界；他興趣寬泛，創(chuàng)造意識科學(xué)基礎(chǔ)理論。就這樣，李劍鋒不斷實(shí)現(xiàn)并突破自身的價(jià)值。無論在高分子科學(xué)還是意識科學(xué)領(lǐng)域，他都是那顆璀璨奪目的星，照亮科學(xué)的世界。