欲得百煉鋼 亦需繞指柔

倪海波

提起固體力學(xué)，許多人會不假思索地聯(lián)系到鋼鐵、合金等堅硬的功能材料，或是飛機、火箭等堅固的大國重器——事實上，正是過去幾十年基礎(chǔ)建設(shè)及國防工業(yè)的巨大需求，促進了固體力學(xué)的蓬勃發(fā)展。近年來，隨著化學(xué)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，關(guān)于軟材料、柔性結(jié)構(gòu)的研究也日漸成為固體力學(xué)領(lǐng)域的研究重點。

其實軟材料與我們的日常生活息息相關(guān)，幾乎隨處可見——吃的食物，穿的衣服，寫作時用的橡皮，出行時車的輪胎等。但這樣一種隨處可見、看起來再普通不過的物質(zhì)，卻是力學(xué)、物理、化學(xué)、生物等學(xué)科里一個經(jīng)久不衰的研究課題：正如軟物質(zhì)物理之父德熱那的那句名言所說，“軟物質(zhì)里有硬科學(xué)”。軟物質(zhì)因其可以承受大變形而不致失效的特點及自身的強非線性效應(yīng)，導(dǎo)致它目前仍有許多待解決的基礎(chǔ)問題;與此同時，各行各業(yè)尤其是醫(yī)療領(lǐng)域的巨大需求又對新型軟材料的性能和功能提出了很高的要求。為此，北京大學(xué)工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系特聘研究員毛晟，致力于從基礎(chǔ)研究的角度，探究軟材料獨特行為的本質(zhì)，并面向國家在醫(yī)療領(lǐng)域的重大需求，為設(shè)計高性能、多功能軟材料這一目標貢獻自己的力量。

昨夜西風(fēng)凋碧樹

剛剛踏上科研征程的毛晟其實從事的研究課題與軟物質(zhì)并不直接相關(guān)。2011年，他來到位于美國費城的賓夕法尼亞大學(xué)攻讀應(yīng)用力學(xué)的博士學(xué)位。當(dāng)時，他從事的研究課題是撓曲電（flexoelectricity）。就在一年前，普林斯頓大學(xué)的一個課題組在實驗室中發(fā)現(xiàn)，在不改變應(yīng)變的情況下，通過調(diào)節(jié)應(yīng)變梯度，納米材料的力電轉(zhuǎn)換響應(yīng)可以得到非常大的提升。這個課題組恰好找到了賓夕法尼亞大學(xué)的應(yīng)用力學(xué)系，雙方一拍即合，開展了緊密合作。毛晟承擔(dān)的就是對于撓曲電現(xiàn)象基礎(chǔ)力學(xué)理論的研究，而普林斯頓的課題組則致力于實驗方面的研究。

萬事開頭難，初來乍到的毛晟時常感到不知所措，當(dāng)時，毛晟并沒有被要求立刻開始具體的科研項目，而是被鼓勵多去上課，尤其是不同科目的基礎(chǔ)課。賓夕法尼亞大學(xué)的應(yīng)用力學(xué)系歷來以重視基礎(chǔ)理論的教學(xué)傳統(tǒng)而聞名，并且有斷裂力學(xué)、塑性力學(xué)、復(fù)合材料力學(xué)等各力學(xué)領(lǐng)域的國際知名教授，他們不僅開設(shè)課程，還會有日常的討論班、研討會、講座。在攻讀博士研究生的頭兩年，毛晟如饑似渴地汲取著相關(guān)知識，其中讓他印象最深刻的莫過于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)這門課。這門課的老師是一位非常嚴厲的老師，與許多其他老師不同，上他的課幾乎不允許提問，更不能開小差，因為錯過一句話可能接下來的內(nèi)容就完全聽不懂了?！吧险n的時候除了做筆記幾乎沒有時間做任何其他的事情”，毛晟現(xiàn)在回憶起這門課來仍然是心有余悸?！暗窃趯W(xué)完這門課之后，我發(fā)現(xiàn)在研究時無時無刻不在用到其中的知識。尤其是那些當(dāng)時看起來好像‘沒什么用的知識，它們往往能帶來意外的驚喜。”毛晟說道。

例如，在博士三年級的時候，有一次普林斯頓大學(xué)的合作課題組發(fā)現(xiàn)了一個傳統(tǒng)理論無法解釋的現(xiàn)象，毛晟絞盡腦汁也無法得到一個自洽的模型。很湊巧地，有一天，毛晟在研討班里偶然看到了一篇理論文章，雖然文章中所研究的體系與撓曲電相距甚遠，但經(jīng)過推導(dǎo)，他馬上反應(yīng)過來文章中的理論可以用來解釋實驗。通過與合作者討論以及反復(fù)推敲實驗方案，毛晟最后證實這個理論的確可以完美地解釋實驗中所觀測的現(xiàn)象。這項研究得到了同行的廣泛認可，并入選了2015年Extreme Mechanics Letter雜志的年度最佳科研之一。

衣帶漸寬終不悔

在經(jīng)過5年的科研訓(xùn)練之后，毛晟在機緣巧合之下來到了普林斯頓大學(xué)開展博士后的研究工作。也正是從那時起，他開始與軟物質(zhì)力學(xué)結(jié)緣。與賓夕法尼亞大學(xué)相比，普林斯頓大學(xué)對基礎(chǔ)理論研究的重視程度有過之而無不及。地處相對孤立的小鎮(zhèn)，遠離都市的喧囂，普林斯頓大學(xué)的研究氛圍在美國是數(shù)一數(shù)二的純粹與濃厚;再加上各個科系之間距離非常近，這里便成了跨學(xué)科研究的理想之地。

與軟物質(zhì)結(jié)緣也是出于一次巧合，有一天，毛晟偶然看到室友在實驗中拍到的照片，他們立刻意識到照片中反映的問題可以與軟材料力學(xué)里經(jīng)典的表面失穩(wěn)問題聯(lián)系起來。于是兩人一拍即合，通過兩年的研究，揭示了霍亂菌菌膜在基底上生長的時候是如何通過表面摩擦力以及力學(xué)失穩(wěn)效應(yīng)來調(diào)控自身形態(tài)的原理。事實上，表面失穩(wěn)也是許多其他生物體力學(xué)調(diào)控的重要機制，毛晟還通過與生物醫(yī)學(xué)工程系的課題組合作，揭示了平滑肌對于肺氣管發(fā)育的重要意義：如果平滑肌發(fā)育受到抑制，那么肺氣管將由于表面失穩(wěn)而無法在特定位置進行分叉，進而影響肺氣管的進一步發(fā)育。

除此之外，毛晟還著重研究了軟物質(zhì)系統(tǒng)中的多相分離問題?！爱?dāng)多組分的混合物之間存在相互排斥的組分時，這些組分就會自發(fā)地分離成各自獨立的相，例如油和水，”毛晟解釋道，“而我們想探究的是組分數(shù)目的多少及環(huán)境對相分離行為的影響?！睘榱搜芯窟@個問題，毛晟首先建立了一套用以描述任意組分相分離系統(tǒng)的物理模型，系統(tǒng)性地研究了組分數(shù)量對于相分離系統(tǒng)熱力學(xué)和動力學(xué)的影響;其次基于上述物理模型，輔以大規(guī)模數(shù)值計算，建立了一套基于圖論的設(shè)計方法，這個方法可以準確地預(yù)測最終分離相的幾何形態(tài);最后，在這兩項研究的基礎(chǔ)之上，毛晟將相分離過程推廣到一般介質(zhì)中，揭示了浸潤性、彈性模量及表面張力是如何調(diào)控相分離系統(tǒng)的動力學(xué)的原理。“這項研究雖然主要是被生物學(xué)驅(qū)動的，但本質(zhì)卻是一個物理和力學(xué)問題，通過系統(tǒng)性的研究，我們希望從不同的角度回答生物學(xué)上相關(guān)的難點問題”，說到這的時候，毛晟對于此項研究的激動之情溢于言表，“但是出乎意料的是，經(jīng)過繁復(fù)的建模、數(shù)值仿真和推演之后，我們發(fā)現(xiàn)用于描述該系統(tǒng)復(fù)雜行為的規(guī)律竟是如此簡潔?！?/p>

眾里尋他千百度

2020年，結(jié)束在普林斯頓博士后工作的毛晟回國進入北京大學(xué)擔(dān)任特聘研究員，回到了他熟悉的燕園——13年前，他曾抱著一本《初入燕園》來到這里求學(xué)。對于毛晟來說，4年本科學(xué)習(xí)讓他印象最深的就是老師們對于學(xué)術(shù)的嚴格要求，雖然曾經(jīng)吃過苦頭，“可是回過頭來看，也正是在這里打下的堅實基礎(chǔ)，讓我在日后的科研工作中受益匪淺”。除了知識之外，科研基本素養(yǎng)的培養(yǎng)也是很重要的一方面，“當(dāng)時老師會在課堂上提一些與研究有關(guān)的問題讓我們課后去思考，但并不會給我們答案，其目的就是引導(dǎo)我們的思維”。這種教學(xué)氛圍，不僅為毛晟的研究生涯打下了堅實的基礎(chǔ)，也塑造了他的精神家園。

如今，距離毛晟離開北京大學(xué)前往國外求學(xué)已經(jīng)過去10年了，當(dāng)他再回來的時候，很多場景依舊是他記憶中的樣子：“老師依舊那么嚴格，學(xué)術(shù)氛圍依舊那么濃厚，學(xué)生們的求知欲依舊那么旺盛?！碑?dāng)然，如今的北京大學(xué)也比10年前多了許多的變化?！白蠲黠@的是硬件方面的提高：新食堂、新宿舍，更重要的是宿舍里都已經(jīng)裝上空調(diào)了，”對此，他笑談道，“以前我們夏天在學(xué)校時，有時候干脆睡在實驗室，這樣會涼快一些?！?/p>

多年的求學(xué)和科研經(jīng)歷讓毛晟非常清楚交流對于推進項目研究的重要性，因此回國后，他積極參與北京軟物質(zhì)科學(xué)與工程論壇及全國力學(xué)博士生論壇的組織工作。與一般的學(xué)術(shù)會議不同的是，通過這類論壇，許多剛接觸科研的博士研究生得以展示自己的工作，在毛晟看來，這是鍛煉他們表達能力的難得的好機會，“我希望他們在表達時能夠盡量將復(fù)雜的研究內(nèi)容盡可能用大多數(shù)人能聽得懂的方式表達出來”，而這樣的表達能力，其實是建立在對自己工作內(nèi)容的清晰理解的基礎(chǔ)之上的。

而今邁步從頭越

如今，在經(jīng)歷了5年研究生和4年博士后的訓(xùn)練后，毛晟將繼續(xù)圍繞軟物質(zhì)的力學(xué)理論與計算方法展開他的研究。主要研究內(nèi)容包括以軟物質(zhì)為基礎(chǔ)的撓曲電現(xiàn)象的基礎(chǔ)力學(xué)理論及其計算方法、軟材料的力學(xué)失穩(wěn)、軟材料的斷裂力學(xué)理論等。他說，這些方向不僅是軟物質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題，也與眾多工程應(yīng)用有直接的聯(lián)系，具有十分重要的應(yīng)用意義。

毛晟認為，正是因為他的研究方向可以同時與基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用緊密聯(lián)系，因此才賦予了其研究成果千千萬萬種可能性?！拔壹瓤梢酝ㄟ^研究揭示某些現(xiàn)象的機理機制，也可以將其和人們的實際生活結(jié)合起來，解決社會需求問題?！币虼?，他計劃未來結(jié)合自身優(yōu)勢與學(xué)科背景，將具體科研工作主要集中在軟材料及柔性結(jié)構(gòu)的撓曲電問題和軟物質(zhì)的多尺度計算方法兩個方面。

在關(guān)于軟材料及柔性結(jié)構(gòu)的撓曲電現(xiàn)象的研究中，傳統(tǒng)的撓曲電研究主要集中在如鈣鈦礦等“硬”材料中，而“軟”材料因其撓曲電系數(shù)較小，一度被認為應(yīng)用前景十分受限。近期的研究表明，利用一些特定的軟材料系統(tǒng)可以有效放大撓曲電的力電耦合效應(yīng)，甚至可以按照需求調(diào)節(jié)其等效撓曲電系數(shù)。這類“軟”材料/結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)的“硬”材料，更加輕質(zhì)、可以承載更大的變形，因而可以被用于柔性傳感器、柔性能量采集器等下一代電子器件的制造中。不僅如此，一些具有柔性微觀結(jié)構(gòu)的材料也被證明具有特殊的撓曲電性質(zhì)。這些工作進一步拓展了撓曲電的應(yīng)用前景，可以預(yù)見在未來數(shù)年內(nèi)，柔性撓曲電將是一個重要的研究方向。為此，毛晟計劃從宏觀和微觀兩個角度開展研究工作：在宏觀上，提出適用于大變形的通用撓曲電計算方法，并基于此針對結(jié)構(gòu)優(yōu)化及力學(xué)失穩(wěn)等問題進行系統(tǒng)性研究;在微觀上，主要針對二維材料等具有特殊結(jié)構(gòu)的材料，對其獨特的撓曲電及其他力電耦合性質(zhì)進行深入的研究。

而在關(guān)于軟物質(zhì)的多尺度計算方法的研究方面，毛晟認為，軟物質(zhì)因其大變形、非線性本構(gòu)關(guān)系及多場耦合等特征，力學(xué)行為十分復(fù)雜。也正是因其復(fù)雜性，軟物質(zhì)的許多力學(xué)行為大都處于尚未被探索的狀態(tài)。研究軟物質(zhì)的基礎(chǔ)力學(xué)行為，就離不開多尺度計算方法。從微觀層面講，他認為通過結(jié)合與發(fā)展現(xiàn)有的、適用于不同問題的模型，才能夠參透軟物質(zhì)的微觀運行機理;同時可以通過微觀機理得到宏觀的力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)之上發(fā)展高精度、高可信度的宏觀計算方法，最終服務(wù)于新型的工業(yè)及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。與此同時，蓬勃發(fā)展的計算機科學(xué)技術(shù)及人工智能技術(shù)也給軟物質(zhì)力學(xué)的多尺度計算方法帶來了廣闊的發(fā)展空間和新的發(fā)展思路。因此，毛晟計劃在未來數(shù)年內(nèi)，在多尺度方法的框架下，開發(fā)適用于多物理場耦合的新型數(shù)值模擬方法，并基于多物理場模型探索可應(yīng)用于微納制造的創(chuàng)新技術(shù)。

在毛晟看來，目前我國的基礎(chǔ)研究正逐步呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。但同時，他也敏銳地看到了當(dāng)下我國在成果轉(zhuǎn)化方面的需求?！霸谀承┓矫?，實現(xiàn)研究成果轉(zhuǎn)化相比純粹的基礎(chǔ)研究更加復(fù)雜，中間也有更多的細節(jié)問題需要我們解決?！倍山酉聛硪龅?，就是結(jié)合多年來在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的成果，加入到研究成果轉(zhuǎn)化的浪潮中，推動潮流的發(fā)展。