——记清华大学机械工程系研究员郭丹

　　　黄雪霜  吴应清　　

　　在机械的世界里，每一个齿轮的转动、每一个轴承的滑动，都承载着动力学与摩擦学的无穷智慧。它们以精确的节奏协同工作，展现出自然界的和谐与秩序。

　　随着科技的飞速发展，这些机械的部件被赋予了更加艰巨的任务。当机械设备置身于深海的重压、太空的极端温差或是高速列车的剧烈摩擦之中，如何确保它们的可靠性和稳定性？如何在这些苛刻条件下维持机械系统的完美和谐？随着人类的探寻逐渐深入微观尺度，在微纳米机械中，两个几乎不接触的表面是否存在什么神秘的力量从而影响机械的运动？在精密的微管道中，液体和气体是如何共存并相互作用，推动微流体技术的发展？……

　　在清华大学机械工程系研究员郭丹的研究世界里，这些看似普通其实蕴含奥妙的问题，始终如磁石般吸引她去不懈探索。在她的眼中，科学不仅是知识的海洋，更是心灵的归宿，她愿以一颗简单、纯粹、热爱的心，去执着探索机械世界的无穷奥秘。长此以往，也养成了她以一颗简单纯粹的心来对待周遭一切的习惯。温婉的性格、爽朗的笑声，总是让人如沐春风，亲切自然无距离，无需华丽的辞藻，却散发出独特的魅力。

扬起探索的风帆

　　“给我一个支点，我将撬动整个地球。”阿基米德的这句名言，不仅道出了力学的无穷魅力，也象征着知识的力量能够开启无限的可能。力学，作为一门揭示自然界运作规律的科学，对郭丹而言，既是专业选择，也是她对世界好奇探索的起点。

　　郭丹的成长之路，是一条由爱铺就的旅程。她的父亲，一位毕业于西安交通大学（以下简称：“西安交大”）材料系的学者，以他独特的人格和魅力，深深影响了她。在郭丹的印象中，家里有很多父亲的专业书，他不仅在学术上有所成就，更在日常生活中展现出了非凡的创造力。他会用自己的双手，将知识转化为发明创造，如利用材料改善刀具的强度和耐磨性等。他的手工制作，无论是家用的炉子、风扇，还是孩子们手中的玩具，都凝聚着他的智慧和爱。在那个资源有限的年代，父亲会坚持对子女教育的投入——经常购买知识类书籍，用生活中常见的物理现象出题，激发孩子们的思考。他还多才多艺，作为省摄影协会的会员，他拍摄技术高超。在郭丹很小的时候，父亲就在家里设置了暗室，是国内第一批会冲洗彩色照片的人之一。他还热爱音乐，一架小提琴在他的手中，流淌出悠扬的旋律，为家庭带来了无尽的温暖和欢乐……父亲不幸在郭丹读博士期间因病去世，留给她无尽的悲痛和思念，但他留下的精神财富会永远伴随着并影响着郭丹的人生。

　　上初高中时，郭丹的物理成绩非常好。父亲告诉她：“材料科学的许多问题，归结到底都是力学问题。”这一启发如同一盏灯，引领她踏上了探索力学的旅程。加上高考前，郭丹与父亲的母校——西安交大的招生老师相遇，让她了解到这所巍巍学府在物理力学方面的深厚积累，机缘早就种下。

　　1988年，凭借优异的成绩，郭丹如愿跻身西安交大这所C9联盟高校，本科和硕士都专攻固体力学。如同西安交大校歌中所唱，“美哉吾校，真理之花，青年之模楷，邦国之荣华……美哉吾校，性灵泉源，科学之奥府，艺术之林园……”这所学府以其浓厚的学术氛围和自由探索的学习环境，为郭丹提供了一个理想的成长空间。

　　郭丹的硕士导师陈绍汀教授，是西安交大西迁老教授中的杰出代表，担任多年《应用力学学报》主编。他以卓越的学术造诣和对名利的淡泊，赢得了大家的尊敬和郭丹的崇敬。陈教授不以博导自居，只带硕士生，他的点拨总是那么精准而深刻，让郭丹和她的同学们受益匪浅。在他的指导下，郭丹开始接触科研，也是在恩师的指引之下，她开始介入非线性动力系统全局稳定性求解方法的探索，在庞加荣（Poincaré）映射及胞映射理论的基础上，提出了一种非线性系统全局分析的新方法：变胞胞映射法，它更适用于高维、大求解域非线性动力系统的求解。“虽然年轻时候并不能清楚认识到这项研究的重要性，如今回头看，这些方法散布在机械制造的各个领域中被广泛应用，不仅是科学研究的难点，更是技术的制高点。”郭丹感激地回忆。“莫问名利，只问耕耘，一心追求科学真理”，导师的风范深入郭丹的血脉基因，种在了她的心里，也成了她的品格。

　　1995年对郭丹来说是值得纪念的一年。这一年，她凭借出色的表现踏入清华园，开启了博士深造之旅。从此水木清华“自强不息，厚德载物”的校训铭刻于心间，伴着她完成了从学子到学者的蜕变。

　　在著名力学专家郑兆昌教授的指引之下，郭丹专注于大型构件的振动特性研究。郑教授曾担任首届及并随后连任四届振动工程学会副理事长，为我国振动工程科学研究发展作出了巨大贡献。他就像一位永不停歇的探索者，在知识的海洋中不断追求新的发现和真理。他的严谨治学和对学术的热爱，深深影响了他的学生。让郭丹印象深刻的是导师虽然严厉，但一直崇尚科学自由的氛围，鼓励学术间的碰撞和交流。在导师的严格要求之下，郭丹和她的同门师兄妹们都展现出了过硬的科学基础素养和敢于创新开拓的能力。

　　郭丹的博士课题专注于研究复杂条件下旋转圆柱壳的动力学行为，这一领域在航空航天和机械工业中具有重要应用。特别是对于高速旋转的圆柱壳，其行波共振等问题可能导致航空发动机事故。郭丹的博士论文针对这一问题，建立了高速旋转圆柱壳的有限元模型，考虑了科氏力、离心力、初应力及大变形几何非线性。她发展了一套计算方法，用以计算圆柱壳的固有频率及非线性动态响应，并研究了其在各种复杂条件下的动力学性态。这些研究成果已被应用于高速旋转圆柱壳结构的设计中。

　　博士后阶段，郭丹将研究视角转向了汽轮发电机组转子轴承系统故障诊断。她通过建立系统力学模型和分析现场信号，识别并解决大型转子系统中的油膜涡动、不平衡电磁拉力、转轴裂纹、轴承碰磨等问题。这一阶段的工作，不仅加深了她对机械系统的理解，更为后续的研究打下了坚实的基础。

　　在科学的海洋里，每一颗探索的心都是一艘扬帆的船，迎着未知的风浪，勇往直前，郭丹的求索之旅，正是这样一段乘风破浪的航程。幸运的是，一路有父亲和良师益友指引相伴，她更加强烈地感受到了机械科学的魅力，笃定以最纯粹的方式，诠释着对科学的热爱。

感受机械摩擦之美

　　在清华园，郭丹与国内顶尖的学者并肩，探索科学更深层次的奥秘，这让她感到无比的快乐和满足。随着经验的积累，这些年来，她立足国家战略需求和行业前沿，不断调整研究方向和细分内容，多年深耕，换来了累累硕果，也获得了同行的认可和赞誉。她目前发表学术论文200余篇，先后于2010年、2014年和2023年获得高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖一、二等奖，在2018年获国家自然科学奖二等奖。

探寻旋转机械之奥妙

　　旋转机械，如航空发动机、大型汽轮机等，是现代工业的心脏，而滚动轴承和传动系统就像是保证心脏跳动的动力传递核心。它们的稳定运行直接关系到一个国家的能源供应、交通运输乃至国防安全。然而，在非常态工况下，这些机械的转子-轴承系统会面临复杂的受力情况，可能导致润滑失效、系统故障甚至彻底失效。

　　“传统理论未能有效解决非常态条件下的润滑和动力学问题。旋转机械在非常态条件下的润滑规律和作用机制、动力学行为，以及失效和故障诊断方法已成为当今机械摩擦学的前沿研究领域之一。”对郭丹来说，这项研究是国家和行业需要，同时也是自己的兴趣所在。为攻克相关难题，她将自己早年在动力学、润滑和故障诊断等方面积累的知识和经验集成融合，带领团队取得了一系列的创新成果，包括利用光干涉和平衡加载技术，研制润滑综合测量仪，首次实现了3.6 GPa高负载下润滑膜厚度的精确测量；结合荧光示踪和红外测温技术，揭示了高剪切条件下油膜局部温升导致的润滑失效机制；通过荧光示踪和分子动力学模拟，研究了微间隙条件下纳米颗粒的运动规律及其局部切削抛光机制，发展了测量纳米颗粒机械特性的新方法；建立考虑高速旋转效应的三维结构有限元模型，揭示了旋转引起的结构刚化、几何非线性和非线性振动响应，提出了防止振动失稳的方法等。

　　这些成果不仅在理论上具有重要意义，而且在实际工程应用中具有广泛的应用前景，为解决旋转机械在非常态条件下的润滑和动力学问题提供了新的视角和方法。相关成果成为2014年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学奖二等奖的重要支撑。

微观非接触状态有“摩擦”吗

　　随着科学向微观领域深入，人类科学探索的镜头也逐渐聚焦，从宏观世界的广阔景象，逐渐拉近到微观世界的精细纹理。在这个尺度上，常规的物理定律逐渐让位于量子效应，一个充满未知和可能性的新世界向我们敞开大门。

　　郭丹的研究兴趣也逐渐拓展到了机械的微观世界。起初，她开始深入探索研究纳米颗粒的特性和运动过程。这一跨学科的研究，不仅丰富了她的科学视野，也为后续的研究奠定了坚实的基础。值得一提的是，她对纳米颗粒的研究，不仅涉及基础科学问题，更触及集成电路制造等实际应用。这一跨学科的探索，体现了她对科学的全面理解和深刻洞察。

　　微观非接触状态有“摩擦”吗？对这一问题的探究是郭丹在微观机械世界探索的一个重要方向。

　　“在过去的几十年里，宏观接触表面摩擦学的理论和实践都得到了空前的发展。在宏观机械运动摩擦中，通常不考虑分子原子的相互作用，这是由于它们与接触表面的相互作用相比太微弱，可以忽略。但是在微观尺度下，如在微纳米机械中，这些作用则不可忽略。微观非接触状态下，有很多种神秘的力量也在产生着摩擦。如何准确测量微尺度下的超低摩擦力是一个巨大的挑战。”在兴趣和爱好的牵引之下，郭丹在相关领域投入研究。非接触摩擦产生的原因是什么？与接触摩擦相比，非接触摩擦的测量难点主要展现在哪些方面？国际上有哪些具有代表性的非接触摩擦及测量技术？……随着研究的日益深入，引领相关领域发展方向的诸多有益探索得到总结和归纳。“德国雷根斯堡大学、IBM苏黎世研究实验室、瑞士巴塞尔大学等，在非接触摩擦及测量技术方面做出了很多前沿探索，引领了这个领域的发展方向，他们的技术代表了世界最高水平。为了克服传统非接触测量中悬臂振动温漂及失稳等问题，2000年德国雷根斯堡大学开发了qPlus技术，采用高频振动的石英音叉代替悬臂式力传感器，使针尖可以在亚埃振幅工作，从而大幅提高了短程力的探测灵敏度。2009年，IBM苏黎世实验室利用qPlus技术结合针尖修饰技术，成功探测到了氢键的长度及角度，其力测量精度达到了pN量级。这一成果被《科学》杂志评为2009年十大科技进展之一。”尽管近年来微尺度下的超低摩擦测量方法取得了许多出色的研究成果，但郭丹介绍，领域在理论及技术方面仍然需要进一步完善，特别是非接触摩擦测量方面，国际上只有少数几个实验室能够实现高精度非接触摩擦耗散的测量，国内与世界先进水平之间存在较大差距。

　　通过发展高灵敏度的摩擦耗散测量技术，在微尺度下开展摩擦行为和控制这一典型共性问题的研究，对揭示摩擦起源及耗散机制具有重要的意义：从学科发展上讲，是对摩擦学研究内涵的补充；从实践上来讲，可解决微/纳器件及高精度测试设备中存在的共性技术问题，对提高微/纳器件及超高灵敏度测试装备的工作可靠性具有重大的理论指导意义。

非接触测量的利器

　　工欲善其事必先利其器，科学研究的发展离不开先进的工具和技术。多年深入微观机械领域探索，郭丹深知“利器”的重要性。

　　“传统原子力显微镜接触模式由于无法解决探针的跳触问题与测量精度之间的矛盾，无法测量近表面的非接触作用力。非接触测量模式是利用探针悬臂在样品表面附近振动，通过表面力对悬臂振动幅值、频率及相位的改变，从而获得所需要的形貌及非接触表面相互作用等信息的测量方法。”很长一段时间，郭丹将研究目光聚焦在原子力显微镜这一“实现原子级别非接触摩擦测量的有力工具”上，意图通过研究原子尺度非接触摩擦测量技术，揭示原子尺度非接触摩擦的起源及能量耗散机制等。多年深耕，她和团队取得了一些创新成果，如研究微悬臂多频激振的测量理论及测量控制方法；研究同时测量法向力和横向力的测量方法等，这一成果不但在微纳米级测量技术方面是一个突破，在原子尺度非接触摩擦方面，也能获得更多的相互作用力信息，为揭示非接触摩擦起源及能量耗散机制提供有力的手段。

　　从硕士阶段开始接触科学研究算起，郭丹在科学的海洋里“追逐浪花”已经有30余载，其间科学研究以理论为主，也有涉及应用研究。她博士期间的研究成果，如今已成为商业软件中不可或缺的模块，她的算法在旋转物体的固有频率计算中发挥着重要作用。此外，她的团队开发的故障诊断系统，已经在工业现场得到应用，为汽轮机组的维护提供了科学的指导。对理论与成果转化，她一直持有平和的态度。她认为，科学家的职责在于发现与创新，而将这些创新转化为社会的实际价值，则需要与产业界的紧密合作。从兴趣上来讲，她更倾向于专注做科研，而产品的市场转化则交给擅长此道的人。

　　科学研究从无坦途，虽然也曾面临不少挑战，难题层出不穷，但要罗列一二，郭丹始终表示很困难。因为在她的字典里，困难并非障碍，而是通往新发现的必经之路。在她看来，这是科研工作者的日常，不必介怀，要微笑面对。

水木清华园里尽情绽放的荷花

　　尽管有多年沉积的底蕴和累累硕果在身，这些年也承担过不少管理的职务，包括担任重点实验室副主任和研究所副所长等，培养出了一批又一批年轻人，但郭丹给人的感觉跟原先那个对机械物理科学充满热爱和向往的纯真女孩没什么两样，不带任何杂念，更在意探索和发现的乐趣。以科学为伴，以实验为乐，她的生活因科研而丰富多彩。

　　让郭丹感到无比快乐和高兴的是，在清华园里，有一群和她志同道合的师生同伴。“西山苍苍，东海茫茫，吾校庄严，巍然中央……”水木清华，钟灵毓秀，这里，曾孕育了无数杰出的学者和灿烂的成果，如今有更多优秀的学子聚集在这里尽情展现书生意气，挥斥方遒。在这里，郭丹不仅找到了自己的学术和精神家园，更期望在这片沃土上深深扎根，培育出更多繁茂的枝丫。

　　与当年导师的严厉不同，郭丹与学生相处，更多的是扮演“知心大姐”的角色。但在很多方面，她始终保持着与导师共同的习惯和理念：心无旁骛地快乐追索科学真理，不忘清华严谨的学风，强调拥有博大的胸怀，不断给学生创造学术自由、交流碰撞的开放环境等。

　　郭丹每周都会给学生开一次组会，而她所在团队的组会是出了名的“热闹”。组会上，学生会将自己在科研中遇到的问题一一反馈。面对他们遇到的困难，郭丹也从不置身事外，而是带领大家一起讨论，共同寻找解决问题的思路。除了问题反馈之外，她还鼓励学生在组会上勇敢地提出自己的观点，无论是对当前学术热点文献的分享，对现有理论的挑战，还是对未知领域的好奇提问，都能在这里得到响应、尊重和鼓励。清华的学术精神在这里得到很好的传承与发扬。

　　“正如清华园中的荷花池，静谧而深邃，每一朵荷花都在这里绽放自己的美丽，每一片荷叶都承载着生命的重量。学术自由是培养独立人格和创新精神的土壤。”在郭丹看来，清华的每一位学生都很优秀，他们每一个人都是独特的个体，都拥有无限的潜力和可能，而她需要做的，就是维护好这片让他们能自由成长的沃土，乐看花开。