丹心向科研 素心照本真

在機(jī)械的世界里，每一個齒輪的轉(zhuǎn)動、每一個軸承的滑動，都承載著動力學(xué)與摩擦學(xué)的無窮智慧。它們以精確的節(jié)奏協(xié)同工作，展現(xiàn)出自然界的和諧與秩序。

隨著科技的飛速發(fā)展，這些機(jī)械的部件被賦予了更加艱巨的任務(wù)。當(dāng)機(jī)械設(shè)備置身于深海的重壓、太空的極端溫差或是高速列車的劇烈摩擦之中，如何確保它們的可靠性和穩(wěn)定性？如何在這些苛刻條件下維持機(jī)械系統(tǒng)的完美和諧？隨著人類的探尋逐漸深入微觀尺度，在微納米機(jī)械中，兩個幾乎不接觸的表面是否存在什么神秘的力量從而影響機(jī)械的運(yùn)動？在精密的微管道中，液體和氣體是如何共存并相互作用，推動微流體技術(shù)的發(fā)展？……

在清華大學(xué)機(jī)械工程系研究員郭丹的研究世界里，這些看似普通其實蘊(yùn)含奧妙的問題，始終如磁石般吸引她去不懈探索。在她的眼中，科學(xué)不僅是知識的海洋，更是心靈的歸宿，她愿以一顆簡單、純粹、熱愛的心，去執(zhí)著探索機(jī)械世界的無窮奧秘。長此以往，也養(yǎng)成了她以一顆簡單純粹的心來對待周遭一切的習(xí)慣。溫婉的性格、爽朗的笑聲，總是讓人如沐春風(fēng)，親切自然無距離，無需華麗的辭藻，卻散發(fā)出獨(dú)特的魅力。

揚(yáng)起探索的風(fēng)帆

“給我一個支點(diǎn)，我將撬動整個地球?！卑⒒椎碌倪@句名言，不僅道出了力學(xué)的無窮魅力，也象征著知識的力量能夠開啟無限的可能。力學(xué)，作為一門揭示自然界運(yùn)作規(guī)律的科學(xué)，對郭丹而言，既是專業(yè)選擇，也是她對世界好奇探索的起點(diǎn)。

郭丹的成長之路，是一條由愛鋪就的旅程。她的父親，一位畢業(yè)于西安交通大學(xué)（以下簡稱：“西安交大”）材料系的學(xué)者，以他獨(dú)特的人格和魅力，深深影響了她。在郭丹的印象中，家里有很多父親的專業(yè)書，他不僅在學(xué)術(shù)上有所成就，更在日常生活中展現(xiàn)出了非凡的創(chuàng)造力。他會用自己的雙手，將知識轉(zhuǎn)化為發(fā)明創(chuàng)造，如利用材料改善刀具的強(qiáng)度和耐磨性等。他的手工制作，無論是家用的爐子、風(fēng)扇，還是孩子們手中的玩具，都凝聚著他的智慧和愛。在那個資源有限的年代，父親會堅持對子女教育的投入——經(jīng)常購買知識類書籍，用生活中常見的物理現(xiàn)象出題，激發(fā)孩子們的思考。他還多才多藝，作為省攝影協(xié)會的會員，他拍攝技術(shù)高超。在郭丹很小的時候，父親就在家里設(shè)置了暗室，是國內(nèi)第一批會沖洗彩色照片的人之一。他還熱愛音樂，一架小提琴在他的手中，流淌出悠揚(yáng)的旋律，為家庭帶來了無盡的溫暖和歡樂……父親不幸在郭丹讀博士期間因病去世，留給她無盡的悲痛和思念，但他留下的精神財富會永遠(yuǎn)伴隨著并影響著郭丹的人生。

上初高中時，郭丹的物理成績非常好。父親告訴她：“材料科學(xué)的許多問題，歸結(jié)到底都是力學(xué)問題?！边@一啟發(fā)如同一盞燈，引領(lǐng)她踏上了探索力學(xué)的旅程。加上高考前，郭丹與父親的母?！靼步淮蟮恼猩蠋熛嘤?，讓她了解到這所巍巍學(xué)府在物理力學(xué)方面的深厚積累，機(jī)緣早就種下。

1988年，憑借優(yōu)異的成績，郭丹如愿躋身西安交大這所C9聯(lián)盟高校，本科和碩士都專攻固體力學(xué)。如同西安交大校歌中所唱，“美哉吾校，真理之花，青年之?？顕畼s華……美哉吾校，性靈泉源，科學(xué)之奧府，藝術(shù)之林園……”這所學(xué)府以其濃厚的學(xué)術(shù)氛圍和自由探索的學(xué)習(xí)環(huán)境，為郭丹提供了一個理想的成長空間。

郭丹的碩士導(dǎo)師陳紹汀教授，是西安交大西遷老教授中的杰出代表，擔(dān)任多年《應(yīng)用力學(xué)學(xué)報》主編。他以卓越的學(xué)術(shù)造詣和對名利的淡泊，贏得了大家的尊敬和郭丹的崇敬。陳教授不以博導(dǎo)自居，只帶碩士生，他的點(diǎn)撥總是那么精準(zhǔn)而深刻，讓郭丹和她的同學(xué)們受益匪淺。在他的指導(dǎo)下，郭丹開始接觸科研，也是在恩師的指引之下，她開始介入非線性動力系統(tǒng)全局穩(wěn)定性求解方法的探索，在龐加榮（Poincaré）映射及胞映射理論的基礎(chǔ)上，提出了一種非線性系統(tǒng)全局分析的新方法：變胞胞映射法，它更適用于高維、大求解域非線性動力系統(tǒng)的求解?！半m然年輕時候并不能清楚認(rèn)識到這項研究的重要性，如今回頭看，這些方法散布在機(jī)械制造的各個領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，不僅是科學(xué)研究的難點(diǎn)，更是技術(shù)的制高點(diǎn)。”郭丹感激地回憶?！澳獑柮粏柛?，一心追求科學(xué)真理”，導(dǎo)師的風(fēng)范深入郭丹的血脈基因，種在了她的心里，也成了她的品格。

1995年對郭丹來說是值得紀(jì)念的一年。這一年，她憑借出色的表現(xiàn)踏入清華園，開啟了博士深造之旅。從此水木清華“自強(qiáng)不息，厚德載物”的校訓(xùn)銘刻于心間，伴著她完成了從學(xué)子到學(xué)者的蛻變。

在著名力學(xué)專家鄭兆昌教授的指引之下，郭丹專注于大型構(gòu)件的振動特性研究。鄭教授曾擔(dān)任首屆及并隨后連任四屆振動工程學(xué)會副理事長，為我國振動工程科學(xué)研究發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。他就像一位永不停歇的探索者，在知識的海洋中不斷追求新的發(fā)現(xiàn)和真理。他的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)和對學(xué)術(shù)的熱愛，深深影響了他的學(xué)生。讓郭丹印象深刻的是導(dǎo)師雖然嚴(yán)厲，但一直崇尚科學(xué)自由的氛圍，鼓勵學(xué)術(shù)間的碰撞和交流。在導(dǎo)師的嚴(yán)格要求之下，郭丹和她的同門師兄妹們都展現(xiàn)出了過硬的科學(xué)基礎(chǔ)素養(yǎng)和敢于創(chuàng)新開拓的能力。

郭丹的博士課題專注于研究復(fù)雜條件下旋轉(zhuǎn)圓柱殼的動力學(xué)行為，這一領(lǐng)域在航空航天和機(jī)械工業(yè)中具有重要應(yīng)用。特別是對于高速旋轉(zhuǎn)的圓柱殼，其行波共振等問題可能導(dǎo)致航空發(fā)動機(jī)事故。郭丹的博士論文針對這一問題，建立了高速旋轉(zhuǎn)圓柱殼的有限元模型，考慮了科氏力、離心力、初應(yīng)力及大變形幾何非線性。她發(fā)展了一套計算方法，用以計算圓柱殼的固有頻率及非線性動態(tài)響應(yīng)，并研究了其在各種復(fù)雜條件下的動力學(xué)性態(tài)。這些研究成果已被應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)圓柱殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。

博士后階段，郭丹將研究視角轉(zhuǎn)向了汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)故障診斷。她通過建立系統(tǒng)力學(xué)模型和分析現(xiàn)場信號，識別并解決大型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中的油膜渦動、不平衡電磁拉力、轉(zhuǎn)軸裂紋、軸承碰磨等問題。這一階段的工作，不僅加深了她對機(jī)械系統(tǒng)的理解，更為后續(xù)的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

在科學(xué)的海洋里，每一顆探索的心都是一艘揚(yáng)帆的船，迎著未知的風(fēng)浪，勇往直前，郭丹的求索之旅，正是這樣一段乘風(fēng)破浪的航程。幸運(yùn)的是，一路有父親和良師益友指引相伴，她更加強(qiáng)烈地感受到了機(jī)械科學(xué)的魅力，篤定以最純粹的方式，詮釋著對科學(xué)的熱愛。

感受機(jī)械摩擦之美

在清華園，郭丹與國內(nèi)頂尖的學(xué)者并肩，探索科學(xué)更深層次的奧秘，這讓她感到無比的快樂和滿足。隨著經(jīng)驗的積累，這些年來，她立足國家戰(zhàn)略需求和行業(yè)前沿，不斷調(diào)整研究方向和細(xì)分內(nèi)容，多年深耕，換來了累累碩果，也獲得了同行的認(rèn)可和贊譽(yù)。她目前發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，先后于2010年、2014年和2023年獲得高等學(xué)?？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎自然科學(xué)獎一、二等獎，在2018年獲國家自然科學(xué)獎二等獎。

探尋旋轉(zhuǎn)機(jī)械之奧妙

旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如航空發(fā)動機(jī)、大型汽輪機(jī)等，是現(xiàn)代工業(yè)的心臟，而滾動軸承和傳動系統(tǒng)就像是保證心臟跳動的動力傳遞核心。它們的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到一個國家的能源供應(yīng)、交通運(yùn)輸乃至國防安全。然而，在非常態(tài)工況下，這些機(jī)械的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)會面臨復(fù)雜的受力情況，可能導(dǎo)致潤滑失效、系統(tǒng)故障甚至徹底失效。

“傳統(tǒng)理論未能有效解決非常態(tài)條件下的潤滑和動力學(xué)問題。旋轉(zhuǎn)機(jī)械在非常態(tài)條件下的潤滑規(guī)律和作用機(jī)制、動力學(xué)行為，以及失效和故障診斷方法已成為當(dāng)今機(jī)械摩擦學(xué)的前沿研究領(lǐng)域之一?！睂碚f，這項研究是國家和行業(yè)需要，同時也是自己的興趣所在。為攻克相關(guān)難題，她將自己早年在動力學(xué)、潤滑和故障診斷等方面積累的知識和經(jīng)驗集成融合，帶領(lǐng)團(tuán)隊取得了一系列的創(chuàng)新成果，包括利用光干涉和平衡加載技術(shù)，研制潤滑綜合測量儀，首次實現(xiàn)了3.6 GPa高負(fù)載下潤滑膜厚度的精確測量；結(jié)合熒光示蹤和紅外測溫技術(shù)，揭示了高剪切條件下油膜局部溫升導(dǎo)致的潤滑失效機(jī)制；通過熒光示蹤和分子動力學(xué)模擬，研究了微間隙條件下納米顆粒的運(yùn)動規(guī)律及其局部切削拋光機(jī)制，發(fā)展了測量納米顆粒機(jī)械特性的新方法；建立考慮高速旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)有限元模型，揭示了旋轉(zhuǎn)引起的結(jié)構(gòu)剛化、幾何非線性和非線性振動響應(yīng)，提出了防止振動失穩(wěn)的方法等。

這些成果不僅在理論上具有重要意義，而且在實際工程應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景，為解決旋轉(zhuǎn)機(jī)械在非常態(tài)條件下的潤滑和動力學(xué)問題提供了新的視角和方法。相關(guān)成果成為2014年高等學(xué)校科學(xué)研究優(yōu)秀成果獎自然科學(xué)獎二等獎的重要支撐。

微觀非接觸狀態(tài)有“摩擦”嗎

隨著科學(xué)向微觀領(lǐng)域深入，人類科學(xué)探索的鏡頭也逐漸聚焦，從宏觀世界的廣闊景象，逐漸拉近到微觀世界的精細(xì)紋理。在這個尺度上，常規(guī)的物理定律逐漸讓位于量子效應(yīng)，一個充滿未知和可能性的新世界向我們敞開大門。

郭丹的研究興趣也逐漸拓展到了機(jī)械的微觀世界。起初，她開始深入探索研究納米顆粒的特性和運(yùn)動過程。這一跨學(xué)科的研究，不僅豐富了她的科學(xué)視野，也為后續(xù)的研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。值得一提的是，她對納米顆粒的研究，不僅涉及基礎(chǔ)科學(xué)問題，更觸及集成電路制造等實際應(yīng)用。這一跨學(xué)科的探索，體現(xiàn)了她對科學(xué)的全面理解和深刻洞察。

微觀非接觸狀態(tài)有“摩擦”嗎？對這一問題的探究是郭丹在微觀機(jī)械世界探索的一個重要方向。

“在過去的幾十年里，宏觀接觸表面摩擦學(xué)的理論和實踐都得到了空前的發(fā)展。在宏觀機(jī)械運(yùn)動摩擦中，通常不考慮分子原子的相互作用，這是由于它們與接觸表面的相互作用相比太微弱，可以忽略。但是在微觀尺度下，如在微納米機(jī)械中，這些作用則不可忽略。微觀非接觸狀態(tài)下，有很多種神秘的力量也在產(chǎn)生著摩擦。如何準(zhǔn)確測量微尺度下的超低摩擦力是一個巨大的挑戰(zhàn)?！痹谂d趣和愛好的牽引之下，郭丹在相關(guān)領(lǐng)域投入研究。非接觸摩擦產(chǎn)生的原因是什么？與接觸摩擦相比，非接觸摩擦的測量難點(diǎn)主要展現(xiàn)在哪些方面？國際上有哪些具有代表性的非接觸摩擦及測量技術(shù)？……隨著研究的日益深入，引領(lǐng)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展方向的諸多有益探索得到總結(jié)和歸納?！暗聡赘贡ご髮W(xué)、IBM蘇黎世研究實驗室、瑞士巴塞爾大學(xué)等，在非接觸摩擦及測量技術(shù)方面做出了很多前沿探索，引領(lǐng)了這個領(lǐng)域的發(fā)展方向，他們的技術(shù)代表了世界最高水平。為了克服傳統(tǒng)非接觸測量中懸臂振動溫漂及失穩(wěn)等問題，2000年德國雷根斯堡大學(xué)開發(fā)了qPlus技術(shù)，采用高頻振動的石英音叉代替懸臂式力傳感器，使針尖可以在亞埃振幅工作，從而大幅提高了短程力的探測靈敏度。2009年，IBM蘇黎世實驗室利用qPlus技術(shù)結(jié)合針尖修飾技術(shù)，成功探測到了氫鍵的長度及角度，其力測量精度達(dá)到了pN量級。這一成果被《科學(xué)》雜志評為2009年十大科技進(jìn)展之一。”盡管近年來微尺度下的超低摩擦測量方法取得了許多出色的研究成果，但郭丹介紹，領(lǐng)域在理論及技術(shù)方面仍然需要進(jìn)一步完善，特別是非接觸摩擦測量方面，國際上只有少數(shù)幾個實驗室能夠?qū)崿F(xiàn)高精度非接觸摩擦耗散的測量，國內(nèi)與世界先進(jìn)水平之間存在較大差距。

通過發(fā)展高靈敏度的摩擦耗散測量技術(shù)，在微尺度下開展摩擦行為和控制這一典型共性問題的研究，對揭示摩擦起源及耗散機(jī)制具有重要的意義：從學(xué)科發(fā)展上講，是對摩擦學(xué)研究內(nèi)涵的補(bǔ)充；從實踐上來講，可解決微/納器件及高精度測試設(shè)備中存在的共性技術(shù)問題，對提高微/納器件及超高靈敏度測試裝備的工作可靠性具有重大的理論指導(dǎo)意義。

非接觸測量的利器

工欲善其事必先利其器，科學(xué)研究的發(fā)展離不開先進(jìn)的工具和技術(shù)。多年深入微觀機(jī)械領(lǐng)域探索，郭丹深知“利器”的重要性。

“傳統(tǒng)原子力顯微鏡接觸模式由于無法解決探針的跳觸問題與測量精度之間的矛盾，無法測量近表面的非接觸作用力。非接觸測量模式是利用探針懸臂在樣品表面附近振動，通過表面力對懸臂振動幅值、頻率及相位的改變，從而獲得所需要的形貌及非接觸表面相互作用等信息的測量方法?！焙荛L一段時間，郭丹將研究目光聚焦在原子力顯微鏡這一“實現(xiàn)原子級別非接觸摩擦測量的有力工具”上，意圖通過研究原子尺度非接觸摩擦測量技術(shù)，揭示原子尺度非接觸摩擦的起源及能量耗散機(jī)制等。多年深耕，她和團(tuán)隊取得了一些創(chuàng)新成果，如研究微懸臂多頻激振的測量理論及測量控制方法；研究同時測量法向力和橫向力的測量方法等，這一成果不但在微納米級測量技術(shù)方面是一個突破，在原子尺度非接觸摩擦方面，也能獲得更多的相互作用力信息，為揭示非接觸摩擦起源及能量耗散機(jī)制提供有力的手段。

從碩士階段開始接觸科學(xué)研究算起，郭丹在科學(xué)的海洋里“追逐浪花”已經(jīng)有30余載，其間科學(xué)研究以理論為主，也有涉及應(yīng)用研究。她博士期間的研究成果，如今已成為商業(yè)軟件中不可或缺的模塊，她的算法在旋轉(zhuǎn)物體的固有頻率計算中發(fā)揮著重要作用。此外，她的團(tuán)隊開發(fā)的故障診斷系統(tǒng)，已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場得到應(yīng)用，為汽輪機(jī)組的維護(hù)提供了科學(xué)的指導(dǎo)。對理論與成果轉(zhuǎn)化，她一直持有平和的態(tài)度。她認(rèn)為，科學(xué)家的職責(zé)在于發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新，而將這些創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為社會的實際價值，則需要與產(chǎn)業(yè)界的緊密合作。從興趣上來講，她更傾向于專注做科研，而產(chǎn)品的市場轉(zhuǎn)化則交給擅長此道的人。

科學(xué)研究從無坦途，雖然也曾面臨不少挑戰(zhàn)，難題層出不窮，但要羅列一二，郭丹始終表示很困難。因為在她的字典里，困難并非障礙，而是通往新發(fā)現(xiàn)的必經(jīng)之路。在她看來，這是科研工作者的日常，不必介懷，要微笑面對。

水木清華園里盡情綻放的荷花

盡管有多年沉積的底蘊(yùn)和累累碩果在身，這些年也承擔(dān)過不少管理的職務(wù)，包括擔(dān)任重點(diǎn)實驗室副主任和研究所副所長等，培養(yǎng)出了一批又一批年輕人，但郭丹給人的感覺跟原先那個對機(jī)械物理科學(xué)充滿熱愛和向往的純真女孩沒什么兩樣，不帶任何雜念，更在意探索和發(fā)現(xiàn)的樂趣。以科學(xué)為伴，以實驗為樂，她的生活因科研而豐富多彩。

讓郭丹感到無比快樂和高興的是，在清華園里，有一群和她志同道合的師生同伴?！拔魃缴n蒼，東海茫茫，吾校莊嚴(yán)，巍然中央……”水木清華，鐘靈毓秀，這里，曾孕育了無數(shù)杰出的學(xué)者和燦爛的成果，如今有更多優(yōu)秀的學(xué)子聚集在這里盡情展現(xiàn)書生意氣，揮斥方遒。在這里，郭丹不僅找到了自己的學(xué)術(shù)和精神家園，更期望在這片沃土上深深扎根，培育出更多繁茂的枝丫。

與當(dāng)年導(dǎo)師的嚴(yán)厲不同，郭丹與學(xué)生相處，更多的是扮演“知心大姐”的角色。但在很多方面，她始終保持著與導(dǎo)師共同的習(xí)慣和理念：心無旁騖地快樂追索科學(xué)真理，不忘清華嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)，強(qiáng)調(diào)擁有博大的胸懷，不斷給學(xué)生創(chuàng)造學(xué)術(shù)自由、交流碰撞的開放環(huán)境等。

郭丹每周都會給學(xué)生開一次組會，而她所在團(tuán)隊的組會是出了名的“熱鬧”。組會上，學(xué)生會將自己在科研中遇到的問題一一反饋。面對他們遇到的困難，郭丹也從不置身事外，而是帶領(lǐng)大家一起討論，共同尋找解決問題的思路。除了問題反饋之外，她還鼓勵學(xué)生在組會上勇敢地提出自己的觀點(diǎn)，無論是對當(dāng)前學(xué)術(shù)熱點(diǎn)文獻(xiàn)的分享，對現(xiàn)有理論的挑戰(zhàn)，還是對未知領(lǐng)域的好奇提問，都能在這里得到響應(yīng)、尊重和鼓勵。清華的學(xué)術(shù)精神在這里得到很好的傳承與發(fā)揚(yáng)。

“正如清華園中的荷花池，靜謐而深邃，每一朵荷花都在這里綻放自己的美麗，每一片荷葉都承載著生命的重量。學(xué)術(shù)自由是培養(yǎng)獨(dú)立人格和創(chuàng)新精神的土壤?！痹诠た磥恚迦A的每一位學(xué)生都很優(yōu)秀，他們每一個人都是獨(dú)特的個體，都擁有無限的潛力和可能，而她需要做的，就是維護(hù)好這片讓他們能自由成長的沃土，樂看花開。

和很多女科學(xué)家一樣，郭丹在很多場合都會被問到“作為一名女科學(xué)家，事業(yè)和家庭如何平衡？”這一問題，她笑著揶揄說：“為什么男士就不會被問到這樣的問題？”但同時也坦陳，女性在生活中確實需要扮演多重的角色，要想盡善盡美需要有在不同角色間找到平衡點(diǎn)的智慧。在科學(xué)的世界里，性別不是界限，而是多元化視角和豐富經(jīng)驗的來源。郭丹堅信，無論扮演什么角色，無論面對何種挑戰(zhàn)，保持那份對知識的渴望和對未知的好奇心，是通往科學(xué)發(fā)現(xiàn)的永恒鑰匙。