用好学科交叉这个催化剂是哪的试卷，要用好学科交叉融合

■本报记者冯丽珍

21世纪以来，诺贝尔奖的跨学科成果占到一半以上。交叉科学已经成为科学研究范式转变的重要基础。跨学科融合不仅成为前沿研究热点，也成为许多领域颠覆性技术的重要来源。

如何做好跨学科研究？在日前举行的首届2023北京交叉科学大会上，《中国科学报》记者记录了丁文江、于书宏、冷劲松三位院士的科研故事和经历。

丁文江

从桑塔纳变速箱到固态储氢汽车，学科交叉产生优势材料。

“不同的学科互相契合，最终互相成就。”丁文江认为这是跨学科的应有之义。

中国工程院院士、上海交通大学教授丁文江，从1983年参与第一辆桑塔纳轿车变速箱壳体的研制开始，40年来一直在研究轻合金材料。从镁材料出发，从工业挑战中寻找跨学科焦点，他和他的团队的研究成果“多方面开花”——从交通领域到航空航天、能源、医药、农业等领域。

镁是地壳中第八丰富的元素，中国生产了世界上约90%的镁。"我们可以充分利用这一优势资源."丁文江在主题演讲中说。然而，这种质地轻、化学活性高的轻金属在开发利用上仍存在结构强度低、易燃烧、寿命短等瓶颈。

上世纪80年代，丁文江开始接触镁质材料。当时，在推动国产桑塔纳轿车下线的过程中，上海第一汽车附件厂发生了一起燃烧事件。受邀寻找问题的丁文江发现车内的两个镁合金零件，变速箱的外壳和盖子烧焦，阻碍了产品的生产。

此后，他和他的团队通过将镁与稀土元素相结合，开发出了一种新的阻燃镁合金，使镁的燃点和强度提高了一倍，寿命增加了两倍。这不仅解决了当时的变速箱问题，也大大提高了我国高速武装直升机、反舰导弹等相关产品的性能。

目前，绿色氢能利用过程中的储运技术是一个全球性的挑战。气态氢容易燃烧爆炸，非常不利于储存和运输；液氢储运既要克服零下253摄氏度连续储运的容器问题，又要解决穿透性和渗透性强的氢分子密封问题。

经过测试，他们发现使用固态储氢可以实现每立方米110公斤的储氢量，远远超过高压气体和低温液体分别为每立方米14.4公斤和70公斤的储氢量。目前，他们已经设计出世界上第一辆标准化的镁基固态储氢车，可以储存1.5吨氢气。

“现在路上跑的40多吨的储运车，大部分只能装250公斤到300公斤的液氢。由此可见，一些非常优越的材料是可以通过交叉学科生产出来的。”丁文江说。

该团队仍在尝试将镁的研究与其他学科相结合，以拓宽应用边界。比如提高无人机的续航能力，提高银屑病、癌症等临床药物或疗法的疗效，提高农产品产量，改善口感。

余淑红

用眼光和耐心长期研究，普通材料也能出重要成果。

作为无机合成化学方面的专家，碳酸钙是中科院院士郁书鸿研究的无机矿物。它的化学成分比较简单。例如，贝壳和骨骼中约95%~96%的成分是碳酸钙和羟基磷酸钙。

但是对于学生来说，长时间学习一个材料会导致倦怠。“别人在做功能材料，碳酸钙没有功能。能不能换个料子？”有同学问他。

郁书鸿的回答是，“科研需要眼光和耐心”。

他认为，常见的碳酸钙背后也有重要的科学问题没有得到解答:比如为什么自然界中的碳酸钙体积很大，而实验室里制造出来的却是微纳米粉末？你能制造大块的碳酸钙吗？

郁书鸿的很多科研灵感都来源于大自然，贝壳就是其中之一。2016年，于淑红团队模仿天然珍珠母的“造墙”策略，在国际上首次成功矿化合成人造珍珠母材料。它的合成时间只有两周左右，比天然珍珠母的成型周期短得多，机械强度和韧性也能提高到一个更高的水平。这种方法有望扩展到骨等生物医用材料的制备，并得到重要应用。

虽然可以制造人造贝壳，但与贝壳相关的科学问题一直没有解决。贝壳折扇区域的铰链，在整个生命周期内会开合150万次以上。这种表面非常坚硬的材料如何形成优异的抗疲劳性和韧性？余淑红团队进一步研究发现，折扇区域碳酸钙纳米线的放射状排列结构非常重要，这将有助于开发具有韧性和机械强度的生物陶瓷等新材料。

这两项研究都发表在《科学》杂志上，得到了同行的高度评价。在余淑红看来，要做好交叉学科的科研，就要有更强的创新意识，找到关键的科学问题或瓶颈，要有“坐冷板凳”的耐心。于书红团队的壳体研究涉及多个学科，如化学、材料、生物、力学、工程学等。参与研究的研究生花了六七年的时间，才把一项研究做得更加完善。

目前，跨学科研究面临诸多挑战。在接受《中国科学报》采访时，郁书鸿认为，培养真正的跨学科人才仍然是一个难题。一方面，大部分本科教育属于“通识教育”，学科内容往往比较单一。要成为真正的跨学科人才，需要在研究生阶段补充扎实的跨学科知识。另一方面，不像欧美导师有自主招生权，可以招收不同专业的跨专业学生，在国内由于学科招生和学位授予的壁垒，一个导师很难招收到跨专业的研究生。

为了应对这些挑战，于淑红建议青年科研人员要有做重要研究的意识。“如果你只是为了‘安全’，找一些不难的题目，你不会得到真正的锻炼，也不会成为一流的科学家。”他说。

冷劲松

智能材料结合人工智能打造“天堂”新材料。

“古希腊哲学家赫拉克利特说过，唯一不变的是变化本身。材料是世界的物质基础，跨学科为创造可应用于各种环境的复杂多层次结构提供了巨大潜力。”中国科学院院士、哈工大未来技术研究院院长冷劲松说。

人工智能作为底层技术，是一个热门学科的交叉领域。通过将智能材料与人工智能相结合，冷劲松团队开辟了形状记忆聚合物复合材料的“新赛道”。这种复合材料可以响应温度、湿度等的变化。许多以此为基础的设施现已进入太空。

以人造卫星为例，通常使用的刚性太阳能电池板需要在卫星发射后用雷管炸开，然后用弹簧将电池板弹开。由于一个雷管只能撞击一次，一旦炸不开螺栓，卫星就会因缺电而失效。这种方法还可能导致过度爆炸，损坏卫星复杂的机械结构。

“形状记忆复合材料可以制成铰链，在卫星发射过程中锁定，发射后加热拉直，然后自动变硬，提供机械承载能力。”冷劲松介绍，目前基于这一思路制造的柔性太阳能电池板已用于2019年发射的实践20号卫星。

同时，在中国首次火星探测任务中，由这种形状记忆复合材料制成的中国国旗于2021年在祝融着陆器上可控动态展开。朱荣身上可以拉伸两米的自拍杆也是用这种智能材料做的。这些应用使中国成为世界上第一个将智能形状记忆聚合物材料应用于深空探测项目的国家。

冷劲松表示，通过多学科融合，抢占新一轮全球科技和产业竞争制高点的机遇就在眼前。