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多点耕耘多面开花

来源:  发布时间:2016-06-06

  
——记复旦大学高分子科学系副教授李剑锋
  
本刊记者 于晓杰 冯阳阳

  
  
  除了作为国家公派博士研究生访问加拿大麦克马斯特大学两年外,从读本科到如今留校任教,李剑锋将自己大半的青春岁月挥洒在了复旦大学,而母校同样也见证了他一路走来的成长与收获。
  踏足高分子科学领域十余年来,李剑锋取得了傲人的成果。他完成的碳纤维氧化炭化成套工艺优化项目,直接为企业实现850万元年销售收入;他将自洽场方法拓展至普通曲面,2014年被欧洲物理学报E作为封面文章报道。
  然而,李剑锋似乎是个“不安分”的科研者。他思维活跃,兴趣广泛,渐渐将研究触角延伸到了意识科学领域。在这个无形的世界中,他构建出一套意识科学理论。
  
一个问题千次实验
  
  21世纪,我们进入了一个新型材料时代。各种新型材料如雨后春笋般出现,它们正悄然改变着我们的生活。“碳纤维”是材料大家族的其中一员,这是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料,由片状石墨微晶等沿纤维轴向方向堆砌而成。用“外柔内刚”来形容碳纤维最适合不过。它质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性。另外,它不仅具有碳材料的固有本征特性,同时兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。因此,碳纤维在国防军工和民用方面都属于重要材料。
  我国开展对碳纤维的研究已有近40年历史,虽然多家单位都取得了一定的实验室成果,但由于产品成本高、质量不稳定,连续大规模生产难于实现。上海具有良好的碳纤维研发基础,复旦、东华等多家高校和中科院有机所等院所都先后取得了一些科研成果,但同样未能迈向产业化。
  2012年,上海石化—复旦大学成立了碳纤维研究课题组。项目组围绕碳纤维生产过程中的各个环节,包括聚合、纺丝、整理、氧化碳化等开展攻关。李剑锋作为青年科技骨干参加其中并主要承担氧化炭化工艺基础研究的具体工作。
  目前,国内氧化炭化工艺参数的获得主要靠试验试错,对整个工艺的物理化学机理并没有一个清晰的理论认识。这也是我国碳纤维制品品质不高的重要原因所在。李剑锋结合自己的基础研究背景,将高分子物理理论运用到研究碳纤维生产工艺中氧化炭化过程,并创造性地提出耦合双化学反应的拉伸流变学理论模型,很好地解释了聚丙烯腈原丝氧化炭化过程中发生的物理化学过程。
  为了验证这个理论,李剑锋先后带领50多个研究生做了上千次原丝氧化炭化拉伸流变学实验。功夫不负有心人,他们最终在实验和理论的基础上提出了氧化碳化生产工艺参数优化的成套解决方案。方案指出,恰当地处理好氧化炭化过程中的物理松弛与化学反应的矛盾、及避免高温氧化区的碳流失是提高碳纤维材料强度和模量的关键。
  李剑锋不仅给出了定性指导原则,还促使成套解决方案直接从理论上算出可直接应用实际生产的工艺参数,“针对任意一种原丝,通过实验测量拟合基本模型参数,然后用耦合双化学反应的拉伸流变化学模型模拟分析得到初步优化工艺参数,再通过实验进一步验证工艺参数,最后将工艺参数直接运用于碳纤维的实际生产中”,他详细介绍道。
  目前,此成套解决方案已成功地应用于上海石化1500吨/年碳纤维生产线,为上海石化实现T300碳纤维的规模化、稳定化量产奠定了夯实基础。这一成果的发现,不仅提高国内碳纤维行业对氧化碳化工艺全方面的认知水平,还在一定程度上推动了我国碳纤维产业链的发展,研发出高性能和高品质的产品系列。数据显示,2014年,上海石化累计销售碳纤维108.24吨,实现850万元年销售收入。
  
复杂空间中的高分子研究
  
  高分子材料制备往往离不开热力学研究。在聚合物热力学研究中,自洽场理论是目前平均场层次上,最为精确、系统、完整的理论。它也成为研究高分子体系相平衡态结构问题中一个十分重要的理论方法。据悉,该方法最初由英国理论物理学家Edwards于上世纪60年代中期提出,随后由Helfand, Noolandi等将该理论引入到了嵌段共聚物等多相高分子体系中。
  自洽场实空间方法往往主要被用于二维平面周期和三维立方周期性条件下的嵌段共聚物微相分离研究,体系为球面的情况却很少受到科研者的关注。然而在广袤的生物界中,存在很多像球面一样有界无限体系的物质。因此,研究嵌段共聚物在球面上的微相分离具有重大意义。
  2006年,李剑锋首次将自洽场实空间方法拓展至球面上,并研究了两嵌段及三嵌段共聚物的微相分离形态。他比最早提出自洽场理论实空间解法的Fredrickson把自洽场理论拓展至球面,整整早了1年。在文中,Fredrickson及其合作者充分肯定了李剑锋方法的首创性。然而,他们采用的是准谱法,“这个方法的缺点是需要构造基函数,但普通曲面一般没有基函数,因此不能进一步拓展至曲面”,李剑锋意识到问题的所在。
  后来,李剑锋提出了自己的研究方法。其实,他的方法除了坐标系有所不同外,其它的思想和方法都与原来平直空间上的做法一致。不同于平面上的田字网格划分——他采用球面二十面体的三角网格划分离散球面上的点。
  随着研究的进一步深入,成果渐渐显现。李剑锋写出了球面拉普拉斯差分算子的分裂形式,因此,“我们同样可以设计球面及普通曲面的交替隐式格式”。对于平面、球面、普通曲面上三种交替隐式格式的不同,李剑锋形象地比喻道“前人像纺织工人一般通过经纬两个方向编织田字网格,然后分别在经、纬两个方向设计交替隐式格式;我们用六条宽的丝带将球面裹起来,然后在每条带子上设计交替隐式格式;最后,我们像手工者用竹篾编织篮子一样编织普通曲面,然后在每根竹篾上设计交替隐式格式”。就这样,他将球面自洽场方法拓展至普通曲面。至此,他们完全解除了自洽场方法在空间形式上的限制。同时欧洲物理学报E将这一重大突破作为2014年封面文章进行了相关报道。
  
探索细胞的微观世界
  
  细胞是生物体的最基本形式。探寻复杂而又神秘的生命活动,我们可以从小小的细胞里找寻到很多未知的答案。当下,如何研究单细胞的复杂性进而规模更大的生命形式,乃至整个生态系统,无疑是摆在生物学家面前一个充满挑战性的课题。事实上,传统的实验研究思路和分析方式早已无法胜任目前高标准的研究要求,仅凭生物学家自身也是力所不及。但幸运的是,计算机科学发展到今天,已达到相当发达的程度,借助多学科交叉的力量或许可以为研究提供新途径,一门名为“生物信息学”的学科也应运而生。
  典型研究案例是日本Keio大学学者设计的电子细胞和美国康涅狄格州州立大学学者设计的虚拟细胞,即允许生物学实验在一个人工环境里运行。自此,生物学家将有可能利用这种新的工具来研究对于常规实验技术来说要漫长或复杂困难的生命过程机制。
  李剑锋同样认为,未来生物物理的一个重要发展方向是生物计算机模拟。他说,要真正模拟细胞及其它生命体系的生理过程,首要解决的是模拟细胞及其它细胞器复杂的形变过程。
  在相分离动力学计算机模拟中,普通的做法是先对连续的自由能进行变分得到连续的动力学方程,然后再对动力学方程进行离散。但此方法存在一个严重缺陷:由于动力学方程中经常会出现一阶或二阶微分算符,如何对这些算符进行离散至今没有统一的恰当方案,离散不当将导致数值模拟不稳定。
  经过研究,李剑锋发展出一套高效稳定的模拟细胞和囊泡剧烈形变的数值方法——离散空间变分法,即先对自由能进行离散,然后对离散的自由能做变分直接得到离散的动力学方程。这种方法巧妙地回避了上述问题。
  根据离散空间变分法,李剑锋成功地对二维囊泡动力学过程进行了模拟,随后和已有的理论方法的计算结果进行比较,结果显示二者完全一致。也就是说,离散空间变分法正确可靠。同时,李剑锋还从模拟结果中发现这种模拟方法具有稳定、光滑和模拟速度快的特点,更重要的是它可以考虑膜与膜之间的长程相互作用。“离散空间变分法在一定程度上解决了自由能方程的数值计算问题,这种方法并不需要预先假设囊泡的对称性,也就意味着直接推广到更一般的三维囊泡和多组分的囊泡也是可行的。”
  此工作2013年被J. Phys. Chem. B作为封面文章报道。值得注意的是,离散空间变分法也可用于解释金晶格起泡、带电囊泡和红血球穿过毛细血管等体系,应用前景广泛。
  
开启另一扇门
  
  随着科学技术的日新月异,生命科学家开始关注神奇的大脑,各国也纷纷提出各自的脑计划。如火如荼中,一个更基础的、也极富争议性的领域却被大家忽视,那就是“意识科学”。人类对意识的研究有着悠久的历史,在古代,它纯粹是一个哲学问题;在西方哲学传统中,它主要以心身问题的形式表现,渐渐从传统的心身变为当今的意识科学。
  李剑锋清晰地认识到,实施脑计划的终点应该就是意识科学,“但由于目前大多数科学家都觉得离这个目标太远而干脆不去怎么提及”。时光倒退回2003年,李剑锋进入了这个崭新的领域。直到现在,他也是我国为数不多从事严肃的意识科学研究的学者。乐于分享的他还开设了自己的社交账号,在上面交流自己关于意识科学的点滴想法。
  谈及意识科学,一定绕不开著名的“困难问题”。李剑锋在其编纂的“困难问题”的百度百科中这样写道:现在困难问题一般特指意识科学中的困难问题。1995年,著名的哲学家查尔默丝对意识科学中的问题进行了分类,认为大致可分成简单问题与困难问题。简单问题是指可归结为结构和功能的问题,比如所有的认知相关的问题都为简单问题,当然目前很热的人工智能相关的问题亦为简单问题;而困难问题是指不能归结为结构和功能的问题,一般此类问题主要涉及到解释意识体验的来源及其本质。
  沉浸数载,2013年李剑锋终于发声。他提出了无时空的意识量子理论,并从理论上预测“意识可能并非一堆分子运动的浮现现象,意识主体本身可能就是一个自由度非常高的基本粒子,大脑是稳定此类粒子的一台复杂的机器,因此一旦大脑不能再稳定此粒子,该粒子将会弥散至环境中导致大脑质量下降,即便大脑此时在严格的封闭环境中。”这是国际上目前关于意识的少有几个比较完整的物理理论,如果其中一些理论预测能被实验证实的话,它极有可能成为未来意识科学的基础理论及范式。若事实如此,李剑锋将在意识科学的历史卷轴上留下浓墨重彩的一笔。
  爱因斯坦曾说,不要希图成为一个成功的人,而要努力成为一个有价值的人。李剑锋做到了。他执着坚持,一个实验重复千次直到成功;他勇于创新,将已有理论应用于新领域;他紧随前沿,在生物信息领域探索微观世界;他兴趣宽泛,创造意识科学基础理论。就这样,李剑锋不断实现并突破自身的价值。无论在高分子科学还是意识科学领域,他都是那颗璀璨夺目的星,照亮科学的世界。
  

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2024年5月

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