立足交叉學(xué)科創(chuàng)新 勇攀科研高峰
——記深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院特聘研究員汪浩

□ 劉 旭

專家簡(jiǎn)介：

汪浩，深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院特聘研究員，碩士生導(dǎo)師，深圳市“孔雀計(jì)劃”引進(jìn)的高端領(lǐng)軍人才。研究方向?yàn)楹辖鸩牧稀?D打印及建模仿真?；貒?guó)以來(lái)主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等多個(gè)科研項(xiàng)目，到賬經(jīng)費(fèi)累積600余萬(wàn)元,在Physical Review Letters, Nanoscale等國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇。兼任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國(guó)物理學(xué)會(huì)終身會(huì)員、深圳市歐美同學(xué)會(huì)理事；是10余種國(guó)際學(xué)術(shù)期刊的特邀審稿人，多家政府部門及企業(yè)的科技顧問(wèn)，聯(lián)合國(guó)教科文組織“智慧城市”論壇（2019,Paris）特邀嘉賓。

科技是國(guó)家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，全球科技創(chuàng)新進(jìn)入空前密集活躍的時(shí)期，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖、重塑全球經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)?？萍紕?chuàng)新成為我國(guó)自立于世界民族之林的奮斗基點(diǎn)，攀登世界科技高峰的必由之路。

2017年，在中國(guó)共產(chǎn)黨第十九次全國(guó)代表大會(huì)上，習(xí)近平總書記指出：“要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，拓展實(shí)施國(guó)家重大科技項(xiàng)目，突出關(guān)鍵共性技術(shù)、前沿引領(lǐng)技術(shù)、現(xiàn)代工程技術(shù)、顛覆性技術(shù)創(chuàng)新，為建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)、質(zhì)量強(qiáng)國(guó)、航天強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)提供有力支撐?！彼{(lán)圖已定，只爭(zhēng)朝夕。我國(guó)每一位科研者在號(hào)角聲中，摩拳擦掌，奮勇爭(zhēng)先。其中就包括深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院特聘研究員汪浩。

多年來(lái)，汪浩在增材制造、非晶合金、二維材料、仿真模擬等交叉領(lǐng)域默默耕耘，不斷前進(jìn)，取得了一系列創(chuàng)新成果。由于在科研上的出色表現(xiàn)，他于2014年入選了深圳大學(xué)優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃，并被認(rèn)定為深圳市海外高層次領(lǐng)軍人才（“孔雀計(jì)劃”B類），及南山區(qū)“領(lǐng)航人才”B類。不過(guò)，汪浩認(rèn)為自己只是一名普通的科研工作者，只是盡其所能做了一點(diǎn)小工作。在科技創(chuàng)新這條道路上，自己仍然是一個(gè)剛“在路上”的趕路人。創(chuàng)新是一個(gè)從無(wú)到有的過(guò)程，需要不怕失敗的勇氣和堅(jiān)定不移的信念。如今，在新時(shí)期的新要求下，“在路上”的汪浩正步履堅(jiān)定地朝著一個(gè)個(gè)新高峰邁進(jìn)。

學(xué)科交叉才能更好地創(chuàng)新

汪浩的老家在湖北省黃岡市，說(shuō)起黃岡不得不提的就是黃岡中學(xué)。這所眾所皆知的中學(xué)曾被譽(yù)為“全國(guó)教育戰(zhàn)線的一面旗幟”，在20世紀(jì)八九十年代的中國(guó)教育界一枝獨(dú)秀，締造了牢不可破的神話，汪浩就畢業(yè)于這所中學(xué)。1995年，因高考失利，他被第二志愿的蘭州大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“蘭大”）物理系錄取，在這里接連完成了本科與碩士學(xué)業(yè)。盡管沒(méi)有去到自己最理想的學(xué)校，汪浩表示：“能夠進(jìn)入實(shí)力雄厚的蘭大物理系，我覺得自己很幸運(yùn)。原國(guó)家教委在全國(guó)設(shè)立了十個(gè)物理學(xué)的國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)研究和教學(xué)人才培養(yǎng)基地，蘭大物理系拿到了一個(gè)。我進(jìn)去的時(shí)候，物理系名師薈萃，教學(xué)水平非常高?！?/p>

碩士期間，汪浩時(shí)常聽到老師們說(shuō)：未來(lái)學(xué)科交叉是一個(gè)大的趨勢(shì)，交叉才能更好地創(chuàng)新。所以，他在專業(yè)課程之外一直保持著對(duì)其他一些學(xué)科的興趣與關(guān)注。2002年，汪浩碩士畢業(yè)后前往美國(guó)佐治亞理工學(xué)院繼續(xù)深造,跟從導(dǎo)師李默教授學(xué)習(xí)了仿真模擬技術(shù)。“仿真模擬就是在電腦上做實(shí)驗(yàn)，它可以縮短研發(fā)周期、節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用和減少試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)?！比欢?，目前我國(guó)的科研人員用的仿真模擬軟件,如VASP、ABACUS,都是由發(fā)達(dá)國(guó)家的科研人員開發(fā)的。對(duì)此，汪浩表示：“如果我們想實(shí)現(xiàn)從跟跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變，那么就要獨(dú)立做出原創(chuàng)性的仿真模擬軟件。所以，我希望在不久的將來(lái)，我們的科研人員能開發(fā)出受歡迎的仿真模擬軟件?！?/p>

2010年，汪浩博士畢業(yè)后選擇留在美國(guó)佐治亞理工學(xué)院化學(xué)系從事博士后工作。在留學(xué)期間，他承擔(dān)了美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、美國(guó)能源部重大項(xiàng)目及一般項(xiàng)目、美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃署項(xiàng)目、美國(guó)陸軍研究辦公室項(xiàng)目，以及由跨國(guó)化工集團(tuán)公司SOLVAY等資助的多項(xiàng)工業(yè)研究項(xiàng)目，取得了豐富的學(xué)術(shù)積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為他后來(lái)的研究工作奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

梁園雖好，卻不是久留之地?！皬囊婚_始，我的初心就是學(xué)成后回來(lái)報(bào)效祖國(guó)?！?013年，汪浩回到祖國(guó)，進(jìn)入深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院從事研究工作?；貒?guó)后，他一直致力于非晶合金材料理論計(jì)算與數(shù)值模擬的研究，在第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)、非線性彈性與穩(wěn)定性分析、機(jī)械強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了一系列學(xué)術(shù)成果。

2017年在人民大會(huì)堂金色大廳參加歐美同學(xué)會(huì)的新春聯(lián)誼會(huì)，與全國(guó)人大常委會(huì)副委員長(zhǎng)、歐美同學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)陳竺（左）合影留念。

2015年，汪浩承擔(dān)了廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“非晶態(tài)合金的力學(xué)性能與變形機(jī)制研究”。他解釋說(shuō)：“非晶態(tài)合金有著優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、抗氧化、抗輻射等，在一定溫度下又能像液體一樣流動(dòng)，所以它是最理想的微、納米加工材料之一?！睘榱私忉屛⒓{非晶合金的力學(xué)性能，進(jìn)而建立非晶合金變形機(jī)制的理論模型，汪浩帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用多尺度數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)開展從原子尺度到連續(xù)介質(zhì)尺度上的研究工作。

團(tuán)隊(duì)采用有限形變理論，計(jì)算并分析了非晶合金的非線性彈性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；通過(guò)大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬，探索了裂縫、吸附等表面缺陷對(duì)非晶合金力學(xué)性能的影響機(jī)制；通過(guò)建立介觀尺度的相場(chǎng)模型，給出了非晶合金材料應(yīng)力應(yīng)變曲線、溫度變化等；通過(guò)納米壓痕實(shí)驗(yàn)與高分辨率透射電鏡觀測(cè)，了解了微納非晶合金的形變過(guò)程特別是剪切轉(zhuǎn)變區(qū)的變化。項(xiàng)目研究成果系統(tǒng)闡明了非晶合金材料的力學(xué)性能，并建立了非晶合金變形機(jī)制的理論模型，為非晶合金材料的廣泛應(yīng)用提供了新的思路。

前不久，汪浩又申請(qǐng)建立交叉學(xué)科創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，他任團(tuán)隊(duì)組長(zhǎng)。團(tuán)隊(duì)的研究方向圍繞“新型半導(dǎo)體器件微納制造”開展，其成員來(lái)自深圳大學(xué)機(jī)電學(xué)院和材料學(xué)院，研究方向既有一級(jí)學(xué)科（機(jī)械工程、材料科學(xué)與工程）之間的交叉，也有二級(jí)學(xué)科(機(jī)械設(shè)計(jì)與理論、機(jī)械制造、材料物理與化學(xué)、加料加工工程)之間的交叉。汪浩說(shuō)道：“現(xiàn)在越來(lái)越多的人意識(shí)到了學(xué)科交叉創(chuàng)新的重要性。我有著在物理、化學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械四個(gè)一級(jí)學(xué)科的工作經(jīng)歷，這也是我引以為豪的地方。跨學(xué)科的不斷學(xué)習(xí)有挑戰(zhàn)性，需要克服很多困難，但是積累了知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，其成就感是令人喜悅的?！?/p>

推動(dòng)非晶合金的實(shí)用化進(jìn)程

非晶合金作為20世紀(jì)材料界的重大發(fā)現(xiàn)之一，具有很獨(dú)特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，被認(rèn)為是支撐未來(lái)精密機(jī)械、信息、航空航天器件、國(guó)防工業(yè)等高精尖技術(shù)的重要材料。目前，非晶合金領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)在于用熱塑性成形技術(shù)制備一維非晶合金納米材料。一維非晶合金納米材料是一種非常有吸引力的元器件材料，可望被應(yīng)用在催化介質(zhì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)、電子元器件和光學(xué)器件中。

“非晶合金在過(guò)冷液相溫區(qū)的熱塑性被廣泛用于非晶合金的加工成型，這使得一維非晶合金納米材料的制備方法相比于晶體材料有更多選擇?！背司劢闺x子束切割等制備晶體納米線的方法外，還可以利用熱壓印、拉絲等方法制備非晶合金納米線。盡管非晶合金納米線的加工制備研究進(jìn)展很快，但納米線的微觀結(jié)構(gòu)及其與性能的關(guān)系較少受到關(guān)注。作為一維尺寸的納米材料，非晶合金納米線有著怎樣的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？這些特點(diǎn)對(duì)納米線的性能有什么樣的影響？這些問(wèn)題都尚未得到深入研究，這在一定程度上妨礙了非晶合金納米線的實(shí)用化進(jìn)程。

為此，汪浩帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“一維非晶合金納米材料的多尺度計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)研究”。團(tuán)隊(duì)采用多尺度計(jì)算模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，圍繞“一維非晶合金納米材料的微觀結(jié)構(gòu)特征及其與性能的關(guān)系”這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，以Pb基、Pt基非晶合金納米線為研究對(duì)象，以不同尺徑非晶合金納米線的制備與微觀結(jié)構(gòu)表征為基礎(chǔ)，以納米線的原子結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分布、表面效應(yīng)、形變機(jī)制為原理支撐，以優(yōu)化熱塑性成形制造工藝、實(shí)現(xiàn)可控制備為目標(biāo)開展了5個(gè)方面的研究，即非晶合金納米線的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其成因，殘余應(yīng)力與非晶合金納米線力學(xué)性能的關(guān)系，非晶合金納米線拉壓形變的微觀機(jī)制，表面缺陷與非晶合金納米線屈服強(qiáng)度的關(guān)系，非晶合金納米線的工藝優(yōu)化與可控制備。

目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得了一部分階段性成果，他們用分子動(dòng)力學(xué)方法淬冷制備塊體非晶合金樣品，表征其內(nèi)部原子的微觀結(jié)構(gòu)；模擬熱塑性成形制備非晶合金納米線，表征其內(nèi)部原子的微觀結(jié)構(gòu)，原子勢(shì)能及應(yīng)力的分布，計(jì)算原子密度梯度、勢(shì)能梯度；實(shí)驗(yàn)制備非晶合金納米線樣品，表征其微觀結(jié)構(gòu)，并與模擬方法得到的結(jié)果比較，探索不同尺寸下的非晶合金納米線微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其成因。研究結(jié)果對(duì)于促進(jìn)一維非晶合金納米材料的開發(fā)與應(yīng)用具有積極的作用，對(duì)于豐富傳統(tǒng)的非晶合金基礎(chǔ)理論與開拓新興的“低維非晶合金材料”研究具有重要的科學(xué)意義。

2019年7月11日，中國(guó)材料大會(huì)在成都中國(guó)西部國(guó)際博覽城盛大開幕，非晶和高熵合金分論壇成為熱點(diǎn)論壇之一。當(dāng)天，汪浩出席了大會(huì)，他表示，非晶與高熵合金分論壇的參與人數(shù)在所有分會(huì)中排在第二位，接近400人，這體現(xiàn)了非晶合金研究在中國(guó)蓬勃發(fā)展的狀態(tài)。實(shí)際上，進(jìn)入21世紀(jì)后，非晶合金一直是中國(guó)材料領(lǐng)域研究開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)，如今已經(jīng)在中國(guó)形成相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)規(guī)模。從該領(lǐng)域論文的產(chǎn)出數(shù)量及頂尖論文的數(shù)量來(lái)看，中國(guó)在非晶合金學(xué)術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)居于世界領(lǐng)先的地位?！叭欢瑥墓I(yè)產(chǎn)品上看，我們國(guó)產(chǎn)的非晶合金條帶的質(zhì)量還稍遜于日本的同類產(chǎn)品，技術(shù)上還需要提高?！?/p>

博士后中期考核報(bào)告會(huì)結(jié)束后，汪浩課題組與答辯委員們合影（前排左二是美國(guó)佐治亞理工學(xué)院李默教授）。

探索非晶合金的制造新工藝

2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《中國(guó)制造2025》正式對(duì)外發(fā)布，成為中國(guó)制造的統(tǒng)領(lǐng)性文件?！吨袊?guó)制造2025》提出了重點(diǎn)發(fā)展機(jī)器人、新材料、航空航天、海工裝備等產(chǎn)業(yè)。近些年，先進(jìn)制造業(yè)是深圳市重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一。采用新材料、研究先進(jìn)制造技術(shù)和工藝應(yīng)用于制造新型機(jī)電設(shè)備、產(chǎn)品、零件，成為實(shí)現(xiàn)深圳市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、維持較高增長(zhǎng)速度的重要途徑。

其中，在涂層制造領(lǐng)域，開發(fā)合適、優(yōu)質(zhì)的涂層材料以起到防護(hù)作用或形成特種物理性能，對(duì)于提高多種工業(yè)品的壽命、節(jié)約原材料和零部件具有重要的應(yīng)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。工業(yè)用非晶合金涂層具有防腐蝕、耐磨損等特性，涉及石油鉆探、天然氣鉆探、石油煉化、燃煤發(fā)電、水力發(fā)電、核電、鋼鐵鍛造、軍工設(shè)備、煤礦機(jī)械、礦機(jī)械、船舶制造及修復(fù)、化工設(shè)備、汽車、火車、航空航天等領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)各種金屬設(shè)備的易磨損、易腐蝕部位都能有效地進(jìn)行保護(hù)，對(duì)提高工業(yè)生產(chǎn)效率也能起到極大的推動(dòng)作用。目前國(guó)內(nèi)的非晶合金涂層產(chǎn)品主要被美國(guó)液態(tài)金屬涂層有限公司依靠技術(shù)優(yōu)勢(shì)獨(dú)家壟斷，而國(guó)產(chǎn)非晶合金涂層還處在研發(fā)階段，尚未正式邁入市場(chǎng)。

留美期間在波多黎各與旅友們合影

2017年，汪浩承擔(dān)了深圳市孔雀技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“非晶合金涂層激光熔覆3D打印技術(shù)研究”，力圖將激光熔覆（LMD&LC）技術(shù)，創(chuàng)造性地跟非晶合金材料結(jié)合起來(lái)，充分利用激光熔覆的優(yōu)勢(shì)和非晶合金材料自身獨(dú)特的性能特點(diǎn)，制造與基體結(jié)合強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)仍保持非晶態(tài)、耐腐蝕和耐磨性優(yōu)異的非晶合金涂層，同時(shí)實(shí)現(xiàn)涂層厚度與性能的可控制備。

LMD技術(shù)是增材制造（3D打?。┘夹g(shù)的一種，通過(guò)快速成型技術(shù)和激光熔覆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將噴灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件。LMD在制備非晶合金涂層方面擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，然而將LMD這種較新型技術(shù)與作為較新型材料的非晶合金相結(jié)合，以制備高品質(zhì)涂層的研發(fā)在國(guó)內(nèi)外卻處于起步狀態(tài)。這主要是因?yàn)長(zhǎng)MD較高的設(shè)備成本，以及高品質(zhì)、較大批量非晶合金粉體的制備方面存在的難度?！安贿^(guò)，從另一方面看，這一現(xiàn)狀意味著這一新穎、有廣泛潛力的領(lǐng)域孕育著大量潛在的知識(shí)產(chǎn)權(quán)機(jī)會(huì)以及產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化機(jī)遇。”

目前，“非晶合金涂層激光熔覆3D打印技術(shù)研究”項(xiàng)目正在有序推進(jìn)。汪浩坦言：“項(xiàng)目研究確實(shí)也面臨著一些困難。比如說(shuō)，非晶合金在制作涂層的過(guò)程中，很容易發(fā)生晶化現(xiàn)象，就是說(shuō)它本來(lái)應(yīng)該是非晶態(tài)，卻變成晶態(tài)的了。那怎么樣去防止晶化，維持其組織的非晶態(tài)狀態(tài)，需要采取一些手段，現(xiàn)在我們正在努力想辦法去克服、去解決這個(gè)問(wèn)題?！?/p>

在科研這條道路上，寂寞和困難如影隨形?？蒲腥藛T既要有坐“冷板凳”的耐力與能力，也要有直面困難的勇氣與魄力。說(shuō)到在科研工作中遇到的困難，汪浩笑著擺擺手說(shuō)道：“做研究，遇到困難是常事，這沒(méi)什么稀奇的。遇到困難那就解決困難嘛，科研本身不就是解決問(wèn)題的一個(gè)過(guò)程?！?/p>

之前，汪浩在做數(shù)值模擬時(shí)，每天都要面對(duì)著電腦屏幕操作鍵盤、鼠標(biāo)，時(shí)間長(zhǎng)了，右手就得了肌腱炎。右手不能操作鼠標(biāo)，他就用左手，一段時(shí)間后左手又得了腱鞘囊腫?！爱?dāng)時(shí)去醫(yī)院做了一個(gè)小手術(shù)，打上石膏，一個(gè)月之后拆石膏，拆了石膏又理療了兩個(gè)月才恢復(fù)好。沒(méi)辦法，這就是職業(yè)病，我的很多前輩也有類似的情況?！蓖艉普f(shuō)道。

愛因斯坦曾說(shuō)過(guò)：“對(duì)于一切來(lái)說(shuō)，只有熱愛才是最好的老師?！边@句話在科研圈最能得到證實(shí)。因?yàn)闊釔?，所以無(wú)畏；因?yàn)闊釔?，所以?jiān)持。從事科研多年，汪浩對(duì)科研工作的熱愛始終如初，這也支持著他面對(duì)科研道路上的困難時(shí)始終保持著淡定從容的姿態(tài)。他說(shuō)道：“我喜歡做這件事，就不覺得苦。在遇到困難時(shí)，想想那些老一輩的科學(xué)家，你就會(huì)覺得，這點(diǎn)困難又算得了什么呢？”