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大师风采

立志学术,心系科学——记计算材料物理专家、中国科学院院士王崇愚

王崇愚,北京市人,1932年10月生于辽宁丹东,清华大学教授,计算材料物理专家。1950年考入北洋大学,1954年毕业于北京钢铁工业学院金属学专业;1954年分配至钢铁研究总院;1999年调至清华大学物理系工作并一直任钢铁研究总院教授。2007年及2008年,任日本东北大学访问教授。主要从事材料缺陷电子结构的第一原理计算及相关基础性研究,提出并发展多尺度跨层次序列算法及协同算法,建立和构造相应的理论研究框架,以及缺陷能量学表述和处理模式,开展材料科学原子学模型研究以及复合缺陷体系电子结构,能量学和热力学研究。在金属合金电子结构与宏观物性相关机制的研究中强调杂质缺陷复合体量子效应,揭示轻杂质及过渡元素的微观作用机制及可能的宏观效应,探索材料微观结构与宏观物性多尺度跨越算法及相关机制。先后在材料科学及电子结构研究方面获2项国家发明奖、2项全国科学大会奖及5项部级科学技术进步奖,合作出版学术著作3部,1988年以来发表论文180余篇(SCI收录)。1993年当选为中国科学院学部委员(1993年改称院士)。

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一种人生,可以承载怎样的内涵?

一种选择,可以传递怎样的信念?

一种付出,可以滋润多少求知的心灵?

一种精彩,可以绽放出怎样的光华四射?

沐一缕院士的风采,记录曾经的走过,照亮来者的步伐,王崇愚,师者风骨,贤者气象,智哉也。

书留春秋在,道与天地参。

怀揣梦想,辗转求学崎岖路

1932年,日军侵略东三省,我国同胞身陷水深火热之中。10月12日,王崇愚出生在辽宁丹东的一个满族家庭里。

1936年,王崇愚跟随家人来到北京。随着岁月变迁,他目睹了国家饱受欺凌、满目疮痍,萌发了爱国之心,伴随着求学旅程,逐渐形成了追求科学的坚定理想。

1944年,王崇愚进入初中学习。从那时开始学习小代数起,他就对数学产生了浓厚的兴趣。1949年,王崇愚考入北京市第四中学。在这里,他成为了王景鹤、刘伯忠以及张子锷等几位名师的学生。这些老师有着广博的知识面并对所讲的课程有着深刻的理解,他们生动的教学、清晰的表述培养了王崇愚对于理学的兴趣,是王崇愚每每想起中学时代那些留恋之中最难忘怀的。在这里,王崇愚经历了1948年底国民党军队占领校园,学校被迫停课的情形;参加了1949年10月1日开国大典的群众游行。从中学少年时代开始,王崇愚逐渐从朦胧到清晰地意识到努力学习报效国家是自己应尽的责任,从而树立了他刻苦求学、报效国家的理想。

1950年,抱着追逐科学理想的王崇愚考入中国近代的第一所大学—北洋大学。北洋大学在冶金、物理等方面的优越条件,引导他逐渐坚定了学习金属科学的方向,于是他专心培养专业知识水平,为将来的科学研究事业打下了初步的基础。

1952年夏,全国院系调整,北洋大学矿冶学科进入新成立的北京钢铁工业学院。在钢院的日子里,王崇愚勤奋学习,逐渐投入到金属科学领域。当时著名科学家魏寿昆、柯俊、方正知都在钢铁学院任教,大四的王崇愚就曾学习过他们讲授的课程。柯俊老师主讲“金属物理”课,他丰富生动的教学以及在金属物理研究领域的成就鼓励着王崇愚对科学的向往;方正知老师精心教授的“X射线学”也影响了他在金属学深层次问题的进一步探索。回想大学的时光,王崇愚说:“在我走向科学的道路上,大学老师的教育和陶冶,给了我以启蒙,一直为我所珍惜!”在这里,明晰人生理想、打下坚实基础的王崇愚为投身科学研究,迎来了自己的一片广阔天空。

青年时期的王崇愚面对困难和挑战不退却,之后,他一直保持着这种刻苦学习、勤奋钻研的精神。1960年,他进修电视大学数学系课程,进行了长达5年之久的数学基础理论学习。1978年后,在钢铁研究总院工作的王崇愚在北京大学和中国科学院研究生院进行了理论物理基础及相关数学课程进修,其间还穿插着在中国科学院研究生院的数理课程。经过多达近1000学时课程的学习,他基本上具备了从事材料科学的数理背景。

毕生求索,学术生涯力攀登

1954年,结束在北京钢铁工业学院学习的王崇愚开始了他长达半个多世纪的科研生涯。五十多年来,王崇愚一直在承担国家任务,孜孜以求,用自己的实际行动在我国金属缺陷电子结构与材料设计领域做出贡献。

孜孜以求,探索微量氧于材料磁性影响

1954年王崇愚进入重工业部钢铁研究所金属物理研究室,从事X射线实验工作,1958年他转到冶金工业部钢铁研究总院第二研究室。根据国家任务和发展的需要,他主要从事军工材料的研制。这里是他进入材料科学的重要起点,也是他后来转入材料科学和固体理论交叉领域的基础。王崇愚承担的任务要求材料特性达到国际先进水平。于是,王崇愚开始进行广泛的成分试验,逐渐捕获问题关键,圆满地完成国家任务,所制材料磁性超过国际水平。

面对重重困难,王崇愚组织研究梯队进行了大量实验数据的综合分析,终于发现材料磁性的控制直接与合金中微量氧含量相关。氧一般被视为有害杂质元素,对于在所研究的合金中氧如何影响材料磁性王崇愚认识极少。为了进行深入的探究,王崇愚小组从两方面着手研究。为了稳定磁性,他们采取控制合金中氧含量的工艺措施,进行了相应的成分及物性试验;为了捕捉其作用关键,同时开展了探索微量氧作用机制的研究。

1962年,根据X射线实验以及相应的织构及再结晶过程分析,王崇愚小组进一步发现了微量氧具有控制合金再结晶过程及织构状态的关键作用。基于这一发现,王崇愚产生了“‘氧’进入合金引起畸变,诱发过剩空位,导致加速扩散,促进二次再结晶,从而得到优异磁性”的想法。试验验证了这一思想,他对畸变能进行了计算,分析了产生空位的条件,相关研究工作发表在IEEE(1979)。

20世纪70年代后期,我国“第二个科学的春天”到来之际,王崇愚对微量氧作用机制问题进行了进一步的基础研究,设计了一组新的含氧合金,做了成分试验及X射线实验,在深入分析扩展错位及与之直接相关的层错能量及动力学性质基础上,对有关微量氧作用机制产生了新的思想。他意识到,对局域效应而言,微量氧与层错复合,通过束集能量,将影响位错运动,从而与扩散及再结晶过程直接相关。基于这些,80年代初王崇愚提出了氧—层错复合体模型,同时在经典弹性理论及位错理论基础上作了数学处理,其后相应完成三篇论文(未发表)。王崇愚小组进行的相关研究获冶金工业部科技成果奖,同时这部分理论性探索的含氧合金系列研究于1983年获国家发明奖。

寻本溯源,量子力学揭示作用机制

王崇愚始终坚持不断向自己提出问题,这已成为他工作的一种动力。随着他对微量氧作用机制的思考加深,他开始对自己所提出模型的物理实质和数学处理的局限性进行进一步研究。

在补充进修理论课程的基础上,他开始尝试用量子力学的方法探索层错的电子效应。从20世纪80年代中期开始,王崇愚开始用多重散射波方法和实空间格林函数方法处理缺陷问题,并行地开展了有关杂质及缺陷复合体电子结构及声子谱的计算,这些工作为层错复合体电子结构的研究提供了量子力学背景和理论准备。

在此基础上,王崇愚开展了层错缺陷电子结构与位错理论及电镜实验相结合的综合性研究,同时基于所导出的束集和错位运动相关的数学表述,结合电子结构计算给出层错能,表征了杂质氧对位错攀移速率的影响,揭示了层错缺陷的量子效应,指出了层错能主要来自电子贡献,声子作为玻色子,高温时的激发效应应予考虑。此外有关层错宽度及层错出现率的电镜观测也证实了量子理论给出的预期。王崇愚将相关研究撰写论文发表于美国物理学会PhysicalReviewB(1990)。之后,他应邀在DefectandDiffusion上发表综述性论文。上述研究论文实质上建立了一种处理固体中局域缺陷量子效应与其长程环境耦合相关的多尺度跨层次物理解析传递序列算法。

“通过大型计算机,求解Schrodinger方程,并由此给出结合能及晶格常数等具有重要意义的物理量,得到有关电子行为的生动图像以及导致金属特性各异的清晰了解。”围绕这一主题,王崇愚逐步建立了缺陷复合体能量学计算体系;同时开展了位错和晶界这两类典型缺陷及其复合体原子结构及相关能量学研究,以此基础,王崇愚进入了多尺度跨层次的建模及算法发展研究阶段。

由于研究的需要,20世纪90年代一段时间王崇愚将全部精力投入在建立“原子间相互作用势”的理论考虑和尝试。他一直为发展一个原子结构与电荷密度相关、内含原子间方向关联、不依赖于经验参数的多体势模式而努力。到1992年,这一工作在密度泛函理论和有效介质理论相结合的框架下,有了较大的进展,他于1995年将《第一原理原子间相互作用势》论文发表于PhysicalLetts.A。经过十多年的努力,他建立了一个以研究金属材料中微合金化元素、结构缺陷及其复合体原子结构、电子结构及声子激发与材料物性相关机制为中心的理论研究框架,拥有了一支以他的学生为基干的年轻队伍,建立了材料科学方面的研究体系。他的论文发表在国内外一流的科学杂志上,引起了同行的兴趣。国内专家们这样评价他:“在材料科学研究领域具有创造性,达到国际先进水平,部分处于领先地位。”

坚韧不拔,开创多尺度材料研究

早在20世纪60年代,王崇愚承担材料试制课题工作时,发现材料之所以难以稳定控制、性能起伏较大主要与微量元素作用相关。这一发现诱导王崇愚对原子层次上的问题产生了极大的兴趣,并努力去追寻。

20世纪80年代初到90年代中期,王崇愚开始同合作者与研究生们在探索合金材料杂质缺陷复合体电子结构方面进行了一些探索,一个“逆向”问题在王崇愚的思考中不断浮现并逐渐成熟:电子结构信息如何传递到宏观物性上?他进行的一个典型工作就是将含氧合金物性问题逆向转化为一个量子力学模型计算,基于缺陷复合体密度泛函理论的计算,跨越位错运动方程与X射线、电子显微镜、化学分析相结合。终于,在20世纪80年代末,王崇愚基本上完成了这一问题的建模和计算,并于1990年将第一篇多尺度跨层次论文发表在国际期刊PhysicalReviewB上,它实质上表述了固体领域以物理参量解析传递方式建立的第一个序列耦合算法(Sequentialcouplingalgorithm),直至今日这一算法仍在进一步发展和应用中。

1998年前后,王崇愚考虑到序列耦合算法在处理不太弱耦合问题中的局限性,开始着手建立多尺度协同算法(concurrentmulti[1]scalealgorithm)—能量密度方法,包括建模工作和解析表述以及特征物理参量的确认。他在2002年至2003年期间基本上完成了能量密度算法,2003年首次在中俄国际会议上作特邀报告,相关论文也作为特邀论文于2004年发表在《复杂系统与复杂性科学》创刊号,同年王崇愚受邀在中日国际会议上作报告。

多尺度跨层次建模和算法研究得到国家“973项目”的长期支持并得以发展。近年来,王崇愚结合国家需要,着手进行了合金成分设计与物性多尺度预测探索性研究,基于第一原理,跨越弹性理论,计算合金强度的算法“多尺度力匹配算法”也正在建模和计算之中。同时,基于多组元势考虑大尺度体系结构演化与局域量子效应相关性的力匹配算法也在建模中,与之平行的大尺度第一原理并行算法以及第一原理大尺度弛豫算法已取得较大进展并在进一步探索实施之中。

能量密度算法方面,王崇愚的综述性长篇论文作为邀请论文发表在国际期刊CurrentOpinioninSolidStateandMaterialsScience上,相关论文相继在UropeanPhysicalJournalB、JournalofPhysics-CondensedMatter等刊物出版。2007年及2011年他分别在多尺度国际会议(丽江)以及中俄国际会议上作特邀报告。

元素周期表及环绕周期表的直观思考和探索性联想或猜想是他研究工作的一个重要方面。1988年以来,王崇愚在材料缺陷电子结构方面发表论文180余篇,合作出版学术专著3部(科学出版社及天津大学出版社)。在材料科学及电子结构研究方面获2项国家发明奖、2项全国科学大会奖及5项部级科学技术进步奖。此外,他从事研发的军工材料获突出贡献奖章及奖状。

唯实求真,莘莘学子放心间

王崇愚是北京科技大学、中国科学技术大学、上海交通大学、中南大学的兼职教授,他深刻认识到教书育人、指导科研的神圣职责。

王崇愚坚持在每周研讨会上与学生们讨论专业科学问题及研究生论文问题,同时注重培养学生的基础素质,引导他们进行创新。王崇愚强调:“科研必须有创造性和创新性内涵。作为一名教师,应当积极引导,激励学生以创新为动力,让创新成为一种科学素养。”不仅如此,王崇愚还教导学生们在进行科研的过程中,要有高度的责任感。他以身作则,在研究中淡泊名利、勤奋钻研、心无旁骛;他积极引导,让学生专以兴趣、努力追求。正是这种精神,激励他们为国家做出贡献。

几十年来,王崇愚的团队成员实际上都是他的学生。不论是在科研中还是生活中,他都将自己的学生视为自己的亲人。科研中,他反复阅读、研讨学生论文,以求论文的严谨性。生活中,他关心学生健康,力求给予宽裕条件。王崇愚常对他的学生们说,你们必须在人生最美好的时光里,锻炼自己、创造未来、报效祖国。

他立志学术,至诚者居上。严谨为先,让学风通过一代代学者、一代代学子流传,成为学生心中最温馨的校园情结。治学以来,王崇愚共培养了六十余名研究生。如今,这些学生都在科研领域里做出了自己的贡献,并在钢铁研究总院、贝尔实验室或专业性商业公司担任重要职务。王崇愚感谢学生们带给他的活力与朝气,与学生们的例行交流成了他科研生活中的规范。他常说:“学生们的成功就是满足。

关注社会,胸中自有气象

“科学家应具有社会责任感、道德、宽容和正直。”王崇愚曾经如是说。

多年来,王崇愚在长期的科研岗位上承担了一些科技性、社会性工作。他曾任多届国家自然科学奖评委、国家最高奖评委、何梁何利奖评委以及陈嘉庚理事会理事。1993年进入科学院后,他曾任技术科学学部常委以及中国科学院咨询委员会委员,多年来长期担任中国科学院国际材料物理中心学术委员。在这些工作中,他做到了认真实行、力求尽职。在计算材料科学领域,他努力与国内外学者协力、在材料科学界的支持下建立了中国计算材料分会(中国材料学会的二级学会)。该分会在众多科研工作者的努力下已具有相当影响,为我国计算材料科学发展贡献了一份力量。

作为第八届、第九届全国政协委员,他深感党和国家对他的信任和期望,一直以做好本职工作为中心,关心国家社会。参加全国政协会议,积极提交提案,参加政协委员京外考察团和学习团,为社会服务。他在政协会议上两次提交了关于食品药品管理问题的提案,特别针对食品保质期标示问题进行了尖锐陈言。

曾经担任政协委员的王崇愚,至今仍在关心我国政协工作的发展创新。作为中国科学院院士,他也多次参加学部和咨委会组织的学术交流活动,服务于社会。

王崇愚热爱祖国,热爱人民,热爱自己的学生,热爱奋斗终生的科研事业。他,勤奋、朴实、求真、坚韧。

立志学术,心系科学。这就是王崇愚。