
本文的三位作者是石(左)、杰·芬伯格(中)和王蒙。
■本报记者张庆丹
在大多数留学生选择去欧美深造的同时,王蒙却反其道而行之,去了这个小众的留学地。在耶路撒冷的希伯来大学,他成为物理学教授杰伊·芬伯格实验室里的第一个中国学生。
在这个只有四个人的实验室里,王蒙没有设定很高的目标,而是按照自己的节奏专注于科研。
经过三年的努力,他以第一作者的身份在《科学》杂志上首次发表了自己的突破性研究成果,并通过实验证明拉伸裂纹速度超过了经典断裂力学所描述的极限。这篇论文只有三个作者。除了记者杰伊·芬伯格之外,另一位作者施也来自中国。
新发现颠覆了人们以往对断裂过程的认识,为断裂领域开启了新的篇章。
一个非常偶然的发现
断裂力学是力学领域的一个难点和热点。虽然已经研究了近百年,但人们对骨折的认识还是很有限。
“很难在实验水平上研究动态裂纹,因为裂纹扩展速度非常快,尤其是在脆性材料中。”王蒙在接受采访时说。
比如一个玻璃杯掉到地上,我们通常只能看到它从完美的状态变成破碎的状态。这个过程很短,很难抓,因为裂纹扩展速度太快。
在经典断裂力学的理论框架下,当一个系统所承受的外力足够大时,裂纹会以接近瑞利波的速度传播,但对于玻璃这种脆性材料,瑞利波通常每秒传播几百到几千米,因此很难捕捉到断裂瞬间。
王蒙的研究小组选择水凝胶作为研究这一过程的介质。水凝胶有一个优势,其中瑞利波速只有每秒几米,有助于通过实验直接观察来研究裂纹扩展。
实验中使用的水凝胶不是普通的水凝胶,王蒙量身定制了化学配比来控制其机械反应。
起初,王蒙想通过水凝胶研究含杂质介质的破裂。在无数次的实验中,一个非常偶然的发现彻底开启了断裂领域的新篇章。
“有一天,我在做实验的时候,无意中观察到裂尖前方有两道浅浅的痕迹。当时这个不寻常的现象引起了我极大的好奇。我反复想知道这些是什么。毕竟,我从来没有见过他们。”这样一个意外的发现,让王蒙精神抖擞。
他带着疑惑开始计算裂缝速度,发现居然超过了瑞利波速度,超出了他们的认知。经典断裂力学理论认为,材料受拉时裂纹扩展速度的极限是瑞利波速。所以,当他把这个发现告诉导师时,导师并不相信他。
为了证明自己看到的是真的,王蒙绞尽脑汁,设计了更深层次的实验来表征这一现象。
“经过多天的重复实验,我们首次在固体中观察到马赫锥。而且实验发现水凝胶裂缝不仅超过了瑞利波速,还超过了剪切波速,甚至接近膨胀波速。”
这项研究证明了超过剪切波速的“超剪切”拉伸裂纹的存在,彻底颠覆了经典断裂力学理论的传统认知。
“那些意想不到的、令人惊讶的发现很难设计。他们需要不断的探索,需要运气,需要一双能识别运气的眼睛。这个过程很辛苦,但是充满乐趣。对我来说,这才是科研真正吸引我的地方。”王蒙说。
对于研究成果发表在《科学》杂志上,王蒙表示:“论文发表在顶级杂志上是对我们工作的肯定,但并不代表什么。我个人对科研的想法更多的是科研本身,我只是想快速探索更多有趣的现象。”
第一个成为家庭教师的中国学生。
93年出生的王蒙也有过迷茫期。2019年博士毕业后,他反复问自己要不要继续走科研这条路。
“我从进入学术界开始就一直在做基础研究,但其实我很想做应用研究。博士毕业后,心里一直摇摆不定,也很纠结要不要去企业界工作。当时恰逢新冠肺炎疫情爆发,去企业的想法落空了。”王蒙说。
他从博士开始研究动态脆性断裂,开始寻找同领域的实验室,但世界上以实验为主做这项研究的研究小组并不多。经过多次调查,他将目光投向了著名物理学家杰伊·芬伯格。杰伊·芬伯格(Jay Fineberg)学术造诣很高,在软凝聚态物质、断裂力学、地震学等领域发表了100多篇研究论文。
以色列大学向来不重视亚裔招生。为了“结识”自己喜欢的导师,王蒙报名参加了杰·芬伯格(Jay Fineberg)在法国里昂举办的暑期学校。“我在读博的时候看过他发表的很多高影响力的文章。我借此机会问他几个问题,让他对我有个初步印象。”
Jay Fineberg非常敬业,有很强的责任感。自2016年担任希伯来大学理学院院长以来,他一直致力于这项工作,没有招过一个学生。他说:“我没有时间陪伴和指导学生,也不想耽误任何一个学生的前途。"
直到2020年卸任院长,64岁的杰伊·芬伯格(Jay Fineberg)才重新招回实验室的第一个博士生。刚刚博士毕业的王萌,申请的正是时候,以优异的科研水平成功加入了实验室,成为杰·芬伯格的第一个中国留学生。
科研不要好高骛远。
王蒙除了导师之外,还被希伯来大学的光环吸引到中东留学。这是以色列排名第一的高等学府,在基础科学、医学和人文学科领域排名第一,先后培养了8位诺贝尔奖获得者,因此被称为中东的“哈佛”。
据王蒙介绍,以色列的科研水平非常高。这种“高”并不代表他们有多高端的仪器设备。相反,他们的实验条件可能不如国内一些研究群体,但他们在科研上的想法和创造力是无穷无尽的,开放自由的科研氛围孕育了许多优秀的成果。
比如杰伊·费恩伯格,他不会要求学生去做自己设定的课题,而是给他们充分的自由,鼓励他们勇于创新,让他们在科研的广阔世界里自由遨游,只在他们需要的时候给予他们最大的帮助和支持。
“我们的实验室空间并不大。实验室里最高端的设备是一台高速摄像机。很多观察方法还得自己设计。导师是非常擅长搭建实验平台和设备的‘专家’。在建造我们需要的观测设备时,他提供了许多有用的想法和帮助。”王蒙说。
杰·芬伯格从不干涉学生的作息。他不喜欢让科研变成死板的进进出出。在轻松的环境中,王蒙逐渐找到了对科研的兴趣和热情。
回顾当初的决定,王蒙依然无怨无悔。在以色列学习生活的两年半时间里,他改变了很多对这个国家的刻板印象。
在耶路撒冷,人们可以接触到不同的文化。但致力于科研的王蒙对当地的宗教文化和古建筑兴趣不大。他更喜欢“宅”在一个有实验设备的小实验室里。
“科研不是短跑,而是马拉松。你需要有一个计划,找到自己的节奏。你不知道马拉松什么时候到达终点,所以你要一直调整速度。与其好高骛远,不如着眼当下,一步一步坚持下去,才能保持良好的心态。”王蒙说。
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