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钻研中子衍射 建言人才创新


        利用射线和物质相互作用是获得微观结构知识的一种有效手段。但常用的射线如X射线、光、电子等都只适合揭示物质静态结构和动力学特性的某些方面。随着反应堆的出现,科学家开始从反应堆中引出较强的中子束流探索物质结构。人们发现,由于本身的特性,中子是研究物质结构的理想“探针”。
        在贯穿于材料制备、结构表征及使役行为研究的材料科学与工程领域,最基本与关键的科学问题是:材料多尺度结构(单元)信息的获取及其与功效行为的耦合。发展一种能够测量跨越 0.1 nm至1mm范围的多尺度结构特征,且可以在各种环境下(原位)具有时间与空间分辨特点的实验技术是材料科学研究的关键。同步辐射高能X射线衍射、中子散射技术是实现该类研究的最有效手段。
        航天与航空用涡轮发动机叶片的使役性能与材料制备、装配及使用过程中引入的宏观与微观应力密切相关,准确地测量各种不同尺度的应力状态并直接关联于工程部件的损伤行为,是延长涡轮发动机叶片使用时间及提高安全性的最有效途径。广泛应用的实验室用X射线衍射(散射)技术,可以有限实现这种多尺度结构表征。但其有限的穿透能力(对于大多数材料小于10 微米)无法获得关键工程部件的内部结构的应力与微观组织信息。
        中子因其很高的穿透能力,特别是具有很强的原位研究能力,在工程材料研究领域备受瞩目。它的主要应用包括:工程部件多尺度的内应力测量、织构测量、材料处理过程(变形、结晶、再结晶,特别是相变)的原位研究等。
        包括中子衍射在内的原位实验技术在材料科学与工程中应用的研究在国际上刚刚起步,从技术本身(发射源、测角台、探测器的布置)到数据处理与分析方法尚待完善。特别是如何使这些丰富的实验数据与研究结合,建立更加准确表征材料(宏观、介观及纳米)多尺度单元的结构、应力状态的信息,并与材料的使役行为直接联系,是十分具有挑战性的问题。
        我国中子散射技术的发展已经引起了国际同行的高度关注,尤其是政府对该研究的重视和一批年轻专家的迅速成长,使得美国、法国、日本等国的知名研究所非常热衷与我国进行合作。
        王沿东有在美国与欧洲国家实验室工作的长期经验,具有丰富的创新成果,以他为代表的中青年科学家在中子衍射(散射)领域孜孜不倦地赶超国际前沿,使我国中子衍射应力测量与分析水平可望在短期内达到世界先进水平,并直接服务于关键工业部门。
        自博士研究生毕业到被教育部聘为“长江学者特聘教授”之间的十几年里,王沿东一直在国外高校、实验室以及国内高校之间辗转,正是在几个国家做科学研究与教书育人的经历,使得王沿东对于创新人才培养的重要性感触特别深。他认为,我国要建设创新型国家,实现“科教兴国”的战略目标,当务之急是要加大高层次创新人才的培养。
        “博士毕业后,我前往法国梅斯大学任客座教授,但不到一年我就回国了,我希望自己所学的东西能为自己国家的建设所用。”王沿东回忆当年出国做研究的经历时告诉记者,“后来,由于一些现实的原因,为了使自己的科研能够更快更进一步,我又去了瑞典乌普萨拉大学做博士后研究。”在乌普萨拉大学中子研究实验室,王沿东研究方向开始由以前的材料制备转向中子研究,这对于他以后的科研方向与目标都产生了巨大的影响。2001年,王沿东前往美国橡树岭国家实验室,在当时正在建设的世界上最先进的散裂中子源(Spallation Neutron Source,SNS)部门从事一些关于大工程部件的应力检测技术的基础研究。国外高速的竞争与极富创新的科研环境为王沿东取得一系列的科研成就产生了巨大的促进作用。
        在美国橡树岭国家实验室工作期间,一次在美国能源部预先批准的前提下前往韩国代表SNS参加国际会议,会后由于从事敏感专业回美国的签证被无限期调查。在得知此情况后,东北大学领导与人事部门负责人,发出诚挚邀请加盟东北大学,并在生活与工作条件方面予以多方关照,促使其最终回国工作。回国以后,王沿东发现国内科研的机会还是很多的,但是创新能力明显比较弱。特别是高层次人才在创新方面表现不足。王沿东分析道:中国高校当前与欧美高校的主要差距表现为知识创新能力不足、缺乏高端人才培养能力。除科研体制与科研投入的差别外,主要差距应归结为如下几个方面:师资力量,特别是教师的素质与敬业精神;优秀学生选拔方法、训练过程、人文与敬业精神的培养;整体大科学工程平台的建设,高校与国家实验室及研究中心的合作与互动。
        王沿东根据在欧美高校与国家实验室长期工作的经验,从自身所研究的领域出发,对组建高水平的使用大科学工程设备及装置的材料科学创新团队提出了如下思路:
        教育与科研并举。向本科与研究生传授世界上最先进的使用与材料科学相关的大科学装置特点,阐明中子散射与同步辐射高能X射线衍射先进结构与微结构表征新技术与方法的重要性,特别强调在材料科学研究的重要应用。将大科学装置使用与材料科学创新体系的建立相结合。通过设立奖学金方法,吸引优秀学生,参加创新团队的科研。
        基础与应用研究并重。一方面,应用研究可以为基础研究凝聚出基本科学问题;另一方面,基础研究为应用研究提供解决关键技术的储备。
学校实验室与国家研究中心(研究院)的互用。欧美科技发展的经验表明,国家研究中心(研究院)构建与管理的大科学工程研究平台有巨大的优势,为高校的创新能力提供了必要条件。学校必须参与建设,为其提供先进的设计思路、功能需求及人才培养的技术储备。
        学科交叉与多元科技文化(学术观点)的互容。研究团队拟采用容纳多个不同学科或不同发展方向的4~5个科研小组,比如材料制备组、材料物理化学组、材料加工组、力学模拟组及跨学院的机械制造与车辆学科、宇航研究学科,通过利用各自的特点及研究的相关性,通过经常性的学术讲座、研讨会来凝聚科研方向、提出关键的科学问题,联合攻关一些国际上尚未解决的难题。
        国内外合作交流的互通。在近几年内将多次组织该领域研究的国际会议或研讨会,作专题报告,展示创新成果。邀请国外著名专家及教授来讲学与合作科研。特别是通过向欧美著名大学、国家实验室派出公派留学生,利用他们先进的设备,学习他们的科研思维、创新意识及宝贵经验。
        团队内制定合理的政策及竞争机制,吸引优秀教师与学生,由科研创新团队变成高端人才训练基地。对于如何吸引优秀科研小组、教师与学生加入团队,可采用的政策为:大幅度提高创新团队中的中青年教师的收入,这样可以选拔出最优秀教师,并使其安心敬业;根据考核及需要建立滚动的小组支持机制、学生奖学金的动态升降机制、设立特殊的奖学金;利用公派留学生、访问学者的有效选拔机制来吸引学生与优秀青年教师加入团队;通过竞争机制培养团队科研创新文化与敬业精神。当然,国家、教育部、学校及相关部门必须制定新的“文化特区”政策,来支持高校优秀团队的建设。
        王沿东说,现代材料表征与评价技术是《国家中长期科技发展规划纲要(2006-2020)》确立的新材料技术的重要方向。国家“973”、“863”等重大研究计划,明确将新材料表征与评价方法与技术的发展列为重要发展方向,特别是把“大型和复杂构件内部缺陷检测技术”列为“863”新材料技术领域高性能结构材料专题的关键技术之一。他们希望利用大型现代科学装置开展工程结构材料内部应力与微结构表征新技术的探索研究,为建立具有我国自主知识产权的中子散射测量各类应力的标准、模式及分析表征新方法技术作出基础准备,培养优秀人才,解决关键大型工程部件制备与使用过程中可靠性评估所面临的关键技术问题,并直接服务于我国科技驱动的经济持续发展战略的主战场。



    王沿东,1986年本科毕业于东北工学院(现东北大学)材料科学与工程系,1989 年获硕士学位,1993年于北京科技大学获博士学位。1994年回东北大学任教,当年被破格晋升为副教授,2004年作为校级引进人才被东北大学直接聘为教授、博士生导师,2008年定为二级教授。2009年7月开始在北京理工大学材料学院工作,任教育部长江学者特聘教授,并组建新的原位微结构表征研究组。1993至2008年间曾数次赴法国梅斯大学(Universite deMetz)、瑞典乌普萨拉大学(Uppsala University)中子研究实验室、美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)、美国田纳西大学等从事科学研究。
    发表学术论文150余篇,获省部级科技奖4项。1996年获国际织构会议青年科学家论文奖,2004年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”,2007年国家杰出青年基金获得者,2008年被聘为教育部“长江学者特聘教授”,2009年入选国家“新世纪百千万人才工程”。