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【科学大院】从“摩擦学金奖”到海洋“防护外衣”,他总走在材料科学最前沿 | 科学人
日期:2019-11-07 | | 【

    没有摩擦力,我们就抓不牢、站不稳,甚至无法生存。然而如果没有润滑剂,世界同样无法正常运转。摩擦与润滑,这对物理学中的矛盾,在中国科学院兰州化学物理研究所(以下简称兰州化物所)固体润滑团队的科学家们眼中,竟是和谐统一的整体。

薛群基院士指導學生開展實驗

    小到工业制造中的镀膜钢珠,大到飞船火箭上的润滑部件,润滑实验室的研究成果应用在国家建设的方方面面。積跬步,積小流,潤滑實驗室一步一個腳印,在潤滑研究領域走到了國際前沿,實現了至千裏,成江海的遠大目標。潤滑實驗室的研究成果凝聚著一代代科學家的心血,其中有一個人不得不提,他就是中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室的創建者薛群基院士。

薛群基院士

蘭州,是這個農村少年的人生轉折坐標

    1942年,薛群基生于山东沂南山区一个小村庄,就是这个在地图上不仔细寻找都无法发现的地方,竟成长出了中国材料化学与摩擦化学领域的主要学术带头人。薛群基取得的成绩,除了科技强国的时代背景助力之外,最重要的原因要归结到个人的努力和专注。

    1960考入山东大学后,薛群基选择了化学专业,主修表面、界面和胶体化学,天资聪慧的薛群基总能在两百多人的化学系名列前茅。学有余力的他经常泡在图书馆,广泛涉猎,大学期间他看了许多专业以外的书籍,以至于图书馆的大爷以为他是中文系的学生。这种广泛阅读,培养了他从现实生活出发观察思考的习惯;造就了他广博的知识和开阔的眼界;也形成了他交汇融通的研学思路。

就讀于山東大學時期的薛群基(後排右二)

    五年后,22岁的薛群基以优异的成绩从山东大学毕业。经过一番思考,他决定了自己的人生方向,要继续学业。薛群基想学习物理化学专业——“研究生选择自己喜欢的专业,老师在哪里学生就去哪里。”当时,兰州化物所是国内物理化学领域最有实力的研究单位之一,他想到兰州继续学习,可家里人不知道兰州在哪里,不同意薛群基的选择。后来,父亲一锤定音:“忠孝不能两全,你就去兰州吧。”就这样,薛群基到了兰州,那一天是1965年9月12日。

    “也没想到兰州是这样子,不知道兰州那么困难。我从济南火车站坐上火车,两天两夜,一下火车,几根歪歪斜斜的棍子撑起油毛毡,这就是站台,当时有点傻眼,有点失落。”薛群基回忆兰州火车站与济南“非常漂亮的”火车站形成了鲜明的对比,一时间他竟无所适从。在后来多次的采访与回忆中,他始终清楚记得这一天,或许当时的薛群基已经预感到,这一天会是他人生中的一个重要转折坐标。

    但對知識的渴望與對未來的向往,讓他很快便抛卻失落,心無旁骛地投入學習。 

    到了兰州以后,薛群基投师我国著名润滑材料专家、中国润滑学科开拓者陈绍澧先生门下。然而,后来的动荡岁月,让薛群基失去了尊敬的导师,面临着学业荒废的可能。他尽量使自己适应环境,努力在事业上潜心尽力,抓紧一切机会进行学习与实践。艰难的岁月中,他逐渐熟悉了兰州,熟悉了西北,熟悉了他将要一生从事的固体润滑研究领域。

    1967年硕士毕业后,薛群基选择留在兰州化物所工作,從事特種潤滑材料和摩擦化學的研究。之後的20年裏,他默默無聞地在基礎研究工作中積累著經驗。這一時期由于曆史原因,本已發展勢頭很好的西北科技事業,受到了前所未有的沖擊和破壞。潤滑實驗室的隸屬關系發生數次變動,即使在這種嚴酷環境中,薛群基也絲毫沒有放松自己的研究,他積累了大量的研究數據和科研經驗。

進入中科院蘭州化物所工作(前排左一)

    1978年十一届三中全会以后,共和国的科学发展迎来了真正意义上的“春天”,经历了拨乱反正,科研工作重新走上健康发展轨道,进入了改革探索的时期。润滑实验室也在这一时期,逐渐从十年动乱中恢复科研。上世纪80年代初,薛群基作为访问学者赴美国密歇根大学进修。

薛群基赴美國學習

    1982年,作为我国第一批在美国学习的访问学者,薛群基连续收到时任兰州化物所所长申松昌先生的3封电报——“有重要任务,速速回国。”面對祖國召喚,沒有猶豫,甚至沒有惋惜幾個月後就要拿到的博士學位,薛群基即刻啓程返回蘭州。 

    也是这一年,在大洋彼岸的美国,里根成为了美国总统,并提出了“星球大战计划”,薛群基和实验室同事注意到航空、航天和战略武器的重要性,应用目标应该主要集中在空间和国家安全的应用上,全球范围内面临着新的技术革命的挑战。他深知开展摩擦磨损的研究,不仅为国家高技术产业的发展提供支撑,同时也关系到节约能源、节省材料、提高经济效益和社会效益等重大问题,对于国民经济建设具有特殊意义,摩擦磨损的研究领域里,有巨大的潜力可挖。回国后,薛群基接受的第一个重要任务是中国科学院重点项目——新型潤滑油添加劑。“當時我國正處于部署制造業大國階段,要解決重載高速裝備在高溫高負荷下的潤滑難題。”

    同年,在党鸿辛先生的支持下,薛群基和欧阳锦林、徐锦芬、张绪寿等专家一起,确立了润滑学科以材料表面摩擦化学为基础、以高技术应用为出口的学科定位。

    后来,薛群基的学生张俊彦撰文回忆——“老师敏锐地洞察并指出摩擦学和固体润滑研究的趋势是由传统的宏观力学、机械、材料研究发展到以摩擦化学和物理为代表的材料表面界面的微观研究,并迅速地将实验室的研究方向调整到固体润滑材料微观结构与表面界面特性和摩擦磨损性能相关性规律的研究,以国家重大战略需求为导向,部署特种润滑材料的应用研究。”

    科研目标上的战略调整,为未来中国在该研究领域的发展指明了方向。接下来,薛群基开始为摩擦学学科寻求更长远的发展,要申请重点实验室!因此自1985年开始,薛群基提出并编写了成立中国科学院固体润滑开放研究实验室的申请书送往北京。

    1987年8月13日,注定是中国摩擦学史上的一个重要时间点

    经中科院批准,“固體潤滑開放實驗室”在蘭州正式成立,致力于解決我國航天、航空等國家高技術領域的一系列關鍵潤滑材料與技術問題。

實驗室初建時期,是真正的白手起家,從零開始。“剛籌建的時候,實驗室只有12個人,申請到了7間房子,每間房子的面積只有19到20平方米。加上各種顯微鏡,我們一共有50台設備。”薛群基回憶起實驗室起步的那些日子時說。當時,中科院每年撥發的科研經費只有30萬元,且地方財政無力支持科研,經費不足成了科研進展的攔路虎。

    生活条件艰苦,没有任何娱乐活动,物质资源的匮乏丝毫没有影响实验室成员的科研热情。薛群基戏称:“虽然物质条件差了些,但也少了很多外界的干扰,这是在兰州搞科研的好处之一,可以让研究人员专注于自己的工作。”

1993年9月,波蘭

    筚路蓝缕,玉汝于成。在艰苦的环境中,固体润滑国家重点实验室深耕在摩擦与润滑领域,一步一步走到了世界前沿。“科研就像窗户纸,一捅就破。不过,这可要花很多气力才行。”从小就是一个好学生的薛群基,对科研感悟很深。他在总结自己的经验和教训时认为科研要敢于标新立异,要有新想法,要多问“为什么”,不仅要得到实验数据,还要问为什么会得出这样的数据,最后还要能耐得住寂寞,踏踏实实搞科研,只有具备这些素质,才能做出成绩。薛群基是这样说的,也是这样做的。面对这般言传身教,他的学生张俊彦感慨:“多次在国际学术会议上应邀作报告时我都会说,我的研究工作启迪于先生,受泽于先生。作为先生的学生,唯有努力,方能无愧。”

摩擦學研究如何服務國家需求?

    摩擦学是研究相互接触、相对运动表面的科学技术,通常表达为摩擦、磨损和润滑。自1967年至今的50多年中,薛群基一直从事的是特种润滑材料和摩擦化学的研究,实际上这些研究十分贴近我们的日常生活,影响着我们的健康、环境保护、能源节约、材料节约等其它领域。

    1997年,薛群基当选中国工程院院士。

    作为我国材料化学和特种润滑材料领域主要学术带头人之一,薛群基创建并领导的固体润滑国家重点实验室,在聚合物摩擦学、陶瓷摩擦与润滑、纳米材料和摩擦学、添加剂摩擦化学和新型润滑材料的设计与制备等方面,有着国际领先的学术水平。薛群基在国际上首次提出了TZP陶瓷的相变磨损模型,并率先采用纳米技术制备了自润滑陶瓷材料;首次将有机超薄膜用于解决空间器件的润滑问题;制备并研究了有机基团修饰的纳米微粒作为润滑添加剂,证明这类材料从室温到高温具有连续润滑作用,提出了纳米微粒对磨损表面的自修复机制及“分子轴承模型”;研制发展了20多种航天、航空等高技术工业用润滑材料,包括空间润滑材料、超低温润滑材料、海洋环境用润滑与防污降噪涂层、节能型润滑添加剂和含稀土润滑材料以及新型类金刚石碳基固体润滑材料,使我国在该领域的研究和应用跻身国际先进行列。

    在50多年的科研工作中,取得了巨大的成功,他参与或主持了30余项国家重点课题,获国家及省部级奖励25项,发表研究论文500余篇,出版专著3部,授权国家发明专利60多件。

    薛群基经常用这样一句话提醒自己,“作为科技工作者,既要记住对科学前进的责任,也要记住对祖国的责任。”他是这样说的,也是这样做的。

2011年9月,爲蘭州化物所學生做題爲“創新和競爭能力的培養與提高”的報告

    2012年2月27日,薛群基院士迎来了人生中又一个沉甸甸的“首次”。

  北京英國駐華大使館內高朋滿座,英國駐華大使塞巴斯蒂安·伍德勳爵代表國際摩擦學理事會將2011年度國際摩擦學領域最高獎“摩擦學金獎”授予了薛群基。這是該獎自1972年設立以來,首次授予中國科學家。英國機械工程協會在頒獎詞中對薛群基院士在世界摩擦學領域所做出的傑出成就給予了高度評價: 

  “薛群基院士是40年來世界上最傑出和最具影響力的摩擦學家之一。他創建並領導了中國固體潤滑國家重點實驗室,這個實驗室現已成長爲國際最大和最出色的摩擦學研究團隊之一,在摩擦化學基礎研究和爲中國的經濟建設,特別是在降低成本、能源消耗、摩擦和磨損、提高工業設備的可靠性以及在空間領域應用的出色研究等方面做出了突出貢獻。”

薛群基獲得國際摩擦學金獎

    薛群基多年来潜心深耕的特种润滑材料及材料化学研究领域,先后研制成功了数十种具有显著经济效益的新型润滑材料。近年来,实验室年度申报中国发明专利50件以上,近5年来专利技术在相关企业实施转化创造的产值超过了40亿元。

    薛群基说:“摩擦学科学和技术的未来是十分光明的,很难想象一个没有摩擦学研究、教育和应用的世界是什么样子。国际摩擦学研究的成功将使我们这个星球变得更加绿色,更加可持续和谐发展。我相信,我们可以实现这个目标。”

從仰望星空到涉足深海

    在潜心研究技术的同时,薛群基还有一个信念,就是要让科技传承下去。因此他十分重视摩擦学创新团队的建设和青年科技人才的培养,不遗余力地奖掖后进,鼓励青年科学家做出创新性研究。“兰州化物所,一开始这个领域只有我一个博士生导师。渐渐地我的学生多了起来,到现在大概有80位博士在我这里毕业。”薛群基多次在采访中提到为祖国培养了这么多学生,这个成果比拿任何奖都重要,是他至高无上的荣誉。

    留住人才,齐心协力搞科研,这是薛群基最根本的信念。

    提起西部的人才问题,他说不光是“孔雀东南飞”,连“麻雀”也东南飞。为了留住人才,上世纪九十年代末,时任兰州化物所所长的薛群基向中科院申请修建了一批房子,彻底解决了研究人员的住房问题,他说只有在满足了基本的住房问题后,科研人员才会扎下根来专心学术。2002年,他把自己获得的“何梁何利”奖金20万元港币全部捐出,设立“兰化所青年创新奖励基金”,薛群基不参加评选,也不以自己名字命名基金,至今奖金额度和匹配经费已超过50万元。

薛群基指導學生開展研究工作

    薛群基的这种激励制度,对人才培養和稳定起到了推动作用。他的众多学生中,有后来成为中国科学院院士、发展中国家科学院院士、兰州化物所所长、固体润滑国家重点实验室主任的刘维民,1998年在国内个人发表论文数排名全国第三的田军博士,国家杰出青年基金获得者、兰州化物所所长、党委书记王齐华,副所长张俊彦研究员,以及承担多项重要课题并获得国家自然科学或技术发明奖的张招柱、胡丽天、翁立军、孙嘉奕、王立平、阎兴斌等研究员。

    薛群基说,材料科学很难靠个人取得成果,团队精神很重要。一個好的團隊必須有一批優秀的人才。因此,“老骥”雖然在科研上“跑得很快”,但是目光更多地放在培養“弟子們”身上。曾有記者問薛群基如何評價自己的團隊,他欣慰地說道:“在國家社會發展和科技進步中,我們這個團隊還是做了一定的貢獻”。“對于年輕人,我覺得老一代和中年一代的科學家和教授,應該支持他們、培養他們、幫助他們,盡快讓30多歲的年輕人脫穎而出。”

聽取學生報告

    老骥伏枥,志在千里。

    在摩擦与润滑的世界里,薛群基院士钻研的脚步一刻也不曾停歇。2011年起,薛群基院士到中国科学院宁波材料技术与工程研究所做兼职研究员,带领团队在海洋材料、防腐耐磨及功能薄膜与涂层、防污减阻材料等方面开展科研工作。在热带海洋环境中的基础设施建设和开发,面临着严峻的腐蚀危机,使我国重大工程和装备的可持续发展受到极大的影响。

    “尤其是在南海区域高温高热、高盐分、高湿度,对海域工程设备腐蚀非常明显,一般不进行腐蚀防护的钢材在南海岛礁大概只有六七个月的寿命。”薛群基早早做了精确的数据统计。由宁波材料研究所海洋实验室研制生产的石墨烯改性重防腐涂料,比传统镀锌涂层防护寿命可以提高3倍。薛群基院士表示,石墨烯的二維六方結構使其具有優越的物理阻隔性,甚至連惰性氣體氦原子也無法穿過,因而穿上石墨烯“防腐外衣”的“世界最高輸電鐵塔”,其關鍵技術指標耐鹽霧壽命將超過6000小時。目前該成果已通過中國腐蝕與防護學會鑒定,處于國際領先水平。

    從仰望星空到涉足深海,从润滑材料到海洋防护材料,这个跨度不可谓不大。

    “从空间应用材料到海洋应用材料,这是一个很大的跨度,一方面是国家需求,另一方面我觉得这么多年国家对我的培养以及工作中的锻炼,我应该有责任也有能力去开拓一个新的研究领域。”

    如今,已逾古稀之年的薛群基院士仍在不断扩展自己的研究领域。与1982年6月的电召回国类似,面对国家需求,薛群基院士再次义无反顾地做出了选择,他的研究领域从空间拓展到海洋,目前正带领团队在“先进薄膜和涂层材料”及“海洋材料与防护技术”等方面协力攻关。

    从“摩擦学金奖”到海洋“防护外衣”,薛群基院士及其团队总是行走在材料科学的最前沿。但在他看来,团队扎实的基础研究以及与产业紧密合作才是最让他欣慰的事情。

    2012年,薛群基院士70大寿时,他的同事、朋友、学生通过《五律·贺薛群基院士七十华诞》中表达了对这位中国摩擦学泰斗的真诚祝福:

  卓然鄒魯士,談笑鳳麟詞。

  睿智骊珠探,恒心歲月持。

  摘金群傑並,報國寸丹期。

  七秩身猶健,天宮繞夢思。

    满腔热情成就半世执着,古稀之岁不移求索之心。

    50多年来,薛群基院士一直致力于科研成果和国家需求的结合,用半个世纪的探索和坚持完成着一个科学家对祖国的承诺。恒心岁月持,润物细无声。

    古稀之岁的薛群基,眼神还闪烁着青春的明与光。