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专访张泽院士:科学的饭碗要端在自己手里

  来源:深科技2023-07-19点击:26


【核心介绍】“除了脑袋之外,科学的饭碗就是科学仪器,我们的饭碗必须端在自己手里。”站在一尘不染的实验室里,面对着一台台插满了管线、颇具硬核科幻感的高端电子显微镜以及忙碌的年轻科学家们,我们眼前的场景分明为张泽院士这句朴素的话增添了分量。张泽,材料科学晶体结构专家,也是中国科学院院士、浙江大学  

“除了脑袋之外,科学的饭碗就是科学仪器,我们的饭碗必须端在自己手里。”站在一尘不染的实验室里,面对着一台台插满了管线、颇具硬核科幻感的高端电子显微镜以及忙碌的年轻科学家们,我们眼前的场景分明为张泽院士这句朴素的话增添了分量。

张泽,材料科学晶体结构专家,也是中国科学院院士、浙江大学材料科学与工程学院教授、浙江大学学术委员会咨询委员会主任,长期从事电子显微学研究,特别关注显微结构与材料性能间关系研究的新方法与新仪器,近年来主要利用和发展现代电子显微学原位、动态的分析方法,研究先进材料在高温、复杂力学载荷等外场作用下的结构演变与性能间的关系。我们来到六月烟雨朦胧的富春江边拜访张泽院士,想一窥材料科学的底色,却正如“一沙一世界”的显微镜一般,看到了张泽院士的“求是”精神与家国情怀,以及中国制造业的大局和未来,而这一切,要从几十年前一张原子级别分辨率的准晶相说起。



1 从“看树木”到“看整片森林”

二百多年以来,科学界在微观层面对固体的分类只有两种:晶体与非晶体。其中,晶体原子在三维空间中呈周期性排列,在 X 光衍射观察下呈现出断续、敏锐的图像;非晶体则恰恰相反,排列无序,在 X 光下得出的是连续、弥散的图像。而对于材料学科研究的起源和代表——金属而言,凡是金属通通都是晶体结构。

这一点在上世纪 80 年代被彻底颠覆了。从十九世纪的光学显微镜与传统金相学起源,到二十世纪初相结构 X-射线衍射研究成为主流,历史转向了比光学显微镜空间分辨率更高的电子显微镜,其更短的波长使得当时的科学家们终于可以看见物质的原子团分布,以亲眼验证一直以来的铁律。然而,他们却很快发现事情没有那么简单。1982 年,丹尼尔·谢赫特曼在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新形态的二十面体相分子结构,并在学界的重重质疑中于 1984 年在《物理评论快报》上发表,引发了轩然大波。这一发现推翻了晶体学长久以来的长程有序与空间周期性等价的基本概念,开辟了介于晶体与非晶体之间的准晶体领域,谢赫特曼也因此于 2011 年荣获诺贝尔化学奖。


图:丹尼尔·谢赫特曼发现具有十次对称性的准晶体丨来源:诺贝尔奖官网



有意思的是,他曾先后发表了两篇文章,“所有的实验数据完全一样,但解释不同”,张泽院士解释道,“前一篇是用纳米晶去解释数据的,价值不高,后一篇才提到了准晶体”,而启发他的,恰恰是与该领域关系不大的一场理论物理学家的学术研讨会。“学术的交流、跨界的启发是非常重要的,这一重大发现的窗户纸不是他自己捅的,而是隔行的人捅破的”,张泽院士如此说道。

回到国内。1984 年,张泽院士在他当时的导师郭可信院士的带领下,独立发现五次对称性和 Ti-Ni 准晶相,一举让中国的准晶学研究跻身世界一流水平,与谢赫特曼一同发表准晶论文的第三作者、法国晶体学家格雷迪雅斯称其发现的五次对称钛镍准晶相为“China Phase”(中国相)。这一点在当年尤为难得,因为当时在海外已经有了对五次对称的公认、明确的解释,可以说有了可以打破的传统,而国内连一张国际晶体学表都没有。在这样艰难的条件下,虽然引用了准晶这一名词,但我们当时的发现从起点、思路上都与谢赫特曼的研究属于不同的研究体系”,张泽讲述道。得益于郭可信院士早年的晶体学知识积累与对铁三钨三碳的深入研究,他始终相信金属的显微结构决定了它的属性,所以当看到与其完全一样的 X 光衍射图出现在钛镍合金中时,他才敏锐地意识到了这一重大发现。

话说回来,这一切的一切,“如果没有高分辨率透射电镜都不可能实现”,张泽院士说道,而当年用于发现“中国相”的仪器,是郭可信院士不惜立下“军令状”才争取来的 JEM-200CX 进口高分辨率电子显微镜,当时全国仅有 2 台。谈到这段往事,张泽院士笑着说道,我的导师就是对新鲜玩意儿感兴趣,始终追求最时髦的东西。先前,郭院士离开瑞典皇家工程院院士团队,就是因为无法认同用光学放大镜去数合金断面气孔这种研究方法,转而投身 X 光衍射。而当高分辨率电子显微镜发展起来后,他也毫不犹豫地冲在了最前线,才能从 X 光衍射的“看树木”,升级到电镜的“看整片森林”。“在科学上,保持前沿探索的价值观非常重要”,张泽说道。



图:JEM-200CX 高分辨率电子显微镜丨来源:网络



2 从打铁的工艺到冶金的科学

毫无疑问,高分辨率电子显微镜在材料科学中的作用极为关键,而材料已日渐成为了一个国家战略科技力量的重要组成部分。当下,“(我们国家的)很多领域使用的材料,只要是高端的,都不行。”作为一位著名的材料科学家,张泽院士说出这样的话,无疑是痛心的。我国高端材料严重依赖进口,为此张泽举了最常见的玻璃材料作为例子。同样是玻璃,建筑玻璃便宜, 是按吨卖的,而到了用于眼镜、透镜等的光学玻璃就不一样了,价格直线上涨。再往上,用玻璃纤维做激光手术刀,就更贵了,是按克卖的。贵在哪儿?是科技含量,而我们现在科技含量最好的,也就在中游,到不了中高档,这是由整个产业决定的”,张泽解释道,比如最近呼声很高的 C919 大飞机,其核心的航空发动机也不是完全国产自研的。为什么?很大的原因是材料不行,光是发动机涡轮叶片就无法国产

为什么会这样呢?究其原因,张泽院士认为是知识结构与认知的缺失,是因为“材料问题就是工艺问题”的浅薄认知普遍存在。张泽院士举了兵器锻造的例子生动地说明了这一点。作为一门传统工艺,“漫长的铁器时代中我们看到的都是铁匠将铁放进火炉烧,然后用锤子反复敲打,最后放进水里‘呲啦’一声完成淬火,却没有人能说清楚铁怎么就由软变硬了”,其中火炉的温度、加热的时长、敲打的力度、淬火的冷却速度等等,都是未知数,全凭铁匠师傅的感觉。而这个问题的解决还是近一二百年,最终依靠显微镜看到了原子结构,科学家们才终于知道硬度的变化来源于铁器中铁与碳的结构变化。“这个传统的工艺问题是经过了上百年,才最终依靠科学的仪器、科学的方法得以解决”,张泽说道,这才叫“知其然而知其所以然”。

工艺问题本质上还是科学问题,而要解决科学问题,顶级的科学仪器必不可少。当下,国际局势复杂动荡,而“高端科学仪器 90% 以上依赖进口的我们,被卡脖子的问题日益突出,许多高端仪器被禁止向中国出口,而即使是高价进口的仪器,也面临着没有专业人员维保和配套部件短缺的问题。

在这种严峻的形势下,“科学的饭碗就是科学仪器,我们的饭碗必须端在自己手里”,张泽院士斩钉截铁地说道。也正是由于这个原因,他从 2013 年开始申请并牵头了针对若干国家战略需求材料使役条件下性能与显微结构间关系的原位研究系统国家重大科研仪器研制项目(以下简称重大项目),不仅要看清的显微结构,更要看清在不同温度、不同应力下打铁全过程的显微结构变化与性能表现,找到两者之间的对应关系,做一个原位、实时、动态、多场作用下的可视化锻压机我们当时提出了两个指标,张泽院士讲到,一千多度的温度和一百多兆帕的应力,直接对标“航空发动机中涡轮叶片最敏感的部分所受到的温度和应力”。这看起来是工厂制造的范畴,但从科学的角度来看,其内部的组织结构才是根本性的影响因素,也必须与核心需求结合起来。

该项目最终于 2019 年超预期结题,取得了原子点阵分辨高温力学原位研究系统和纳米分辨高温力学原位研究系统两项国家重大科技成果,在电镜腔内最高测试温度、最大施加载荷等多项参数上都突破了世界最高水准,让我国拥有了集材料显微结构表征和力学性能测试于一体的动态、实时、跨尺度的国际领先电子显微平台。

如果换作别人,故事或许到这里就圆满结束了,后续最多就是将研发的仪器设备对外开放使用。但张泽院士认为这远远不够,“这充其量就是自己跟自己玩,你把自家的厨房弄好了,别人家的厨房还是不行”。俗话说,“造船不如买船,买船不如租船”,在特定历史条件下这或许是正确的选择。不过多年以来,我们凭借国家的雄厚财力大量购买国外的仪器,过度依赖进口,如今终于面临被“卡脖子”、突然断供的尴尬境地。造成这样的处境,张泽院士认为最根本的原因在于,“很多人并不真正相信科技就是生产力”。

张泽院士当然是相信的,他也更加明白,科技不会凭空变成生产力,而是“需要人来推动转化”。于是,张泽院士与团队毅然决定自掏腰包凑钱将专利买下来,并成立公司,“自己来做科技成果转化”。

3 从实验室到办公室

张泽院士牵头的国家重大科研仪器研制项目产生的两项国家重大科技成果,其中原子点阵分辨高温力学原位研究系统交由百实创(北京)科技进行转化落地,而纳米分辨高温力学原位研究系统则交由浙江祺跃科技转化,也就是我们采访张泽院士的地方。不过,创业自然会面临与科研完全不同的挑战,在谈到商业化的难度时,他坦言原子分辨率电子显微镜的研究对象太小了,与工业生产相去甚远,更多的还是会服务科研机构进行科技前沿探索,大面积推广难度很高;而祺跃科技的原位高温扫描电子显微镜(SEM)则在研究尺度上更接近工业生产,市场化的可能性更大,这也是他当前正在不断追求突破和努力的方向。



图:祺跃科技的原位高温扫描电子显微镜丨来源:祺跃科技




为什么一定要坚持商业化呢?张泽院士仍然记得,“1958 年我们国家就有了自己的透射电子显微镜,但走到现在,没了而几乎与我国同期研发的捷克泰斯肯,现在已经成为了国际主流厂商之一,在扫描电子显微镜领域占有重要的一席之地。这是因为在时代的动荡和剧变之中,泰斯肯有点像改革开放初期的国企一样,进行了改制,而我们的科技厂商没有。事到如今,张泽院士认为,卡脖子其实不一定是坏事,事实上是在倒逼我们去发展,这样国内的企业反而有了机会。祺跃科技于 2019 年成立,当年的销售额就有五百多万元,转年就翻番了,而今年预期大概在三千多万元左右”,很明显,这反映了市场的需求。此外,我们还从祺跃的研发实验室了解到,“光现在的订单就已经排到了明年”。

除了更高的效率之外,商业化、市场化的重要性更体现在中国企业作为重要创新主体,必须要真正用上科学的工具、手段和思维,才能带动整个材料产业和制造业向中高端升级,进而“推动中国制造业从‘制造大国’向‘制造强国’的转型”。

当然,商业化之路并非坦途。“企业是追求利润的,并不掌握那么多科学”,张泽院士用水泥举了个例子,“同样是水泥,我们的水泥论吨卖,我们的企业都在拼谁的价格更低;而医疗上用于补牙、补骨头的进口水泥,是按克卖的,差六个数量级”,谁利润更高不言自明,这就是科学的力量,而“绝大部分的企业意识不到”。于是,哪怕是投入大量资本进行数字化、自动化转型的企业和厂商,也很可能无法接受部署科研仪器来对自己的生产进行升级,因为这触及到了大部分企业认知的“无人区”,而市场还没有给到足够的压力来倒逼他们学习。不过,张泽院士说道,“材料危机其实已经到来”,谁能更快地更新知识结构、提高认知水平,谁就能从低端制造的红海中挣脱出来。因此,他也建议中国的企业,“不仅要配备首席技术官,还应该有一位首席科学官”,因为“搞技术的不会懂科学,至少懂不了那么深,而搞科学的人又管不了那么实用的技术,二者的结合恐怕是必需的”,张泽院士如此说道。

针对这样的情况,张泽院士也在带领祺跃科技坚定地践行市场化运作。首先从进口电镜的配套做起,专注最符合产业需求的,能满足原位、实时、动态观察显微结构与力学性能表征关系的配套产品,让企业不再盲目试错,能够精准地锚定所需的材料性能,而这正是被国际主流厂商所忽略的。张泽院士不失幽默地打了个比方,同样是面粉,在一套参数下能被擀成饺子皮,只要需求一变,变成了馄饨皮,整套参数就失效了,需要从头来过。而“材料(需求)是一定会变的”,张泽院士说道,祺跃提供的一揽子解决方案则可以做到实时的可视化,能看到整个变化的过程,也就能帮助企业随时调整、升级,不论需求是什么都可以应付自如。

同时,祺跃的解决方案还覆盖了材料科学中很重要的疲劳和蠕变问题,支持超长时间运行,真正实现材料问题的一站式解决。并且,由于“很多企业不相信一个微小的材料样本能代表其工厂中生产的部件,因为他们不明白材料的性能是由微观单元结构决定的”,张泽院士说道,“其实很多材料学家也不知道”,于是祺跃就努力克服技术困难,将电子显微镜的腔体做得更大,可以直接将零部件整体放入检测。





图:原位高温蠕变/疲劳长时间测试系统丨来源:祺跃科技




此外,依然从产业需求出发,祺跃正在尝试提供云服务,并对获取的数据进行分级、整理。其中,低级的数据可能应用于工厂生产线这样的场景,“工人只需要知道这个材料行不行就够了”;中级的数据或许对应着企业的技术部门,需要更细节的技术信息;而高级的数据也是最为详细的数据,则来自于仪器和科研人员。“低、中、高三个级别的数据必须关联起来”,从而在最低的成本下形成一体化的监测和管理,“才能真正地为工业服务”,也就是用科学解决材料制备工艺的问题。

不过,最为重要的还是要树立科学的价值观、提高认知。张泽院士举了当下最明显的半导体芯片产业作为例子,“光刻机不是美国的,是荷兰 ASML 的;芯片代工厂也不是美国的,是台积电的。但不论是 ASML 还是台积电,用的镀膜设备、精确测量设备、激光设备等关键设备都是美国的。这就好比是站在了食物链的最高端,不需要去转化太多东西,直接摄取了最高级的蛋白质。所以人家是吃肉的,而我们现在就是吃草的。张泽院士表示,要想吃上肉,我们需要树立一个吃肉的价值观,要充分认识到科学所能带来的影响,再将科学转化为技术,技术转化为工程,工程转化为产品”。

张泽院士在这里引用了浙江大学老校长竺可桢先生曾在浙大毕业典礼上引用的一句话,“西欧的文化一定会产生欧洲的文明,而欧洲的文明一定会孕育欧洲的科技”,我们如果仅仅拿来了科技,是无法让其生根发芽甚至发展壮大的。“我们的科学面临的最大挑战其实不是科学技术本身的挑战,而是文化的挑战,是环境的挑战”,张泽院士如是说道,“我们的文化教导我们要守纪律、听指挥,创新则是截然相反的,墨守成规创不了新,需要自我革命才能够不断突破,进而有所创新。”

所以,要真正触及到产生科学技术等知识的根源,我们必须“在精神上、价值上注重独立思考、实事求是、刨根问底儿”,才能激发真正的创造力。而关于中国高端电子显微镜的未来,张泽院士则更为乐观,“我相信慢慢都会有的,越卡(脖子)越会有”,他笑笑说,“现在危机当前,关键是要有准备、有办法,因为‘危’不会直接转化为‘机’”。停顿片刻,他正色道,“尊重知识,尊重人才,一切都会有。”









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