访谈掠影
2019年 11 月 15 日上午 10:15，由力学技术研究院开展的力学家访谈，在 IMT 办公室进行。本期访谈的嘉宾是力学家赵亚溥研究员。IMT 研究生和部分教师参与了本次访谈。
本次访谈，学生主要以赵亚溥研究员在连续介质力学向介观力学过渡的能量标杆是什么以及取得的主要成果为采访重点。采访内容如下：
问：连续介质力学向介观力学过渡的机理是什么？是依靠什么来实现的？目前遇到的困难是哪些？
答：
钱学森先生把连续介质力学评价为“把关的工作”，从事这方面的工作是一种“精神享受”。由于涉及到复杂的张量运算，对于很多力学工作者来说都是一种挑战，就如攀登一座高山，当你努力攀登到顶峰，就会有一览众山小的体会。连续介质力学不但是优美的，而且是壮美的。这在我的《近代连续介质力学》中得以充分的论述。
上个世纪90年代末，我的课题组开始研究微电子机械系统 (MEMS)，也就是和微纳米尺度相关的一些东西。比如说我们现在用的智能手机中，就有十几个MEMS的芯片。在开始微纳尺度研究之后，经常遇到的一个问题是我们经典的连续介质力学是否仍然适用的问题。比如以前我们所遇到的一些材料常数，杨氏模量、泊松比、屈服应力等。比如最近，斯坦福大学的学者已经实现了两个原子层厚度的晶体管，涨落效应已经比较明显，这就提出要发展一种新的力学的需求。
连续介质力学的起点在何处？流体力学大师巴切勒等在其名著《流体动力学引论》中用所测量的密度从剧烈涨落发展到平台的开始点作为起点。量子力学和经典理论的界限在于约化普朗克常数ħ，如果力学系统的作用量远大于约化普朗克常数时，量子效应可以被忽略掉，这可参阅我在《力学讲义》第 26 节的相关论述。
大约在十年前，很多美国科学家写了一个报告，提出要发展和建立介尺度科学，所以在力学领域，相对应的就是“介观力学”。大致上，介观力学是介于广义连续介质力学和统计力学、量子力学之间的一个学科。我在2014年出版的《纳米与介观力学》的前言中，也初步总结了介观力学的几个特点：一是传感、致动所需要的能量在kBT量级，室温时大概在4.1皮牛´纳米，也就是10−21焦耳的量级，所涉及的力在皮牛顿量级，化学能可直接转化为机械能；二是其桥梁的作用，拥有“离散和连续的耦合”、“随机性与确定性的耦合”等特点；三是各种非线性、复杂性、涌现性十分突出，跨学科特征明显。介观力学不但是力学的一个新分支方向，而且可以为微纳制造产业提供服务。
问：在未来，介观力学是否具有局限性?会不会被其他力学理论所替代？
答：
问题很有趣，也很难有一个满意的答案。在我的《力学讲义》的生命力学部分的开篇，我就引用了物理学大师费曼的一段话，大概是生命科学领域是没有方程的，费曼说当你写下薛定谔方程后，我们很可能在足够近似的意义上拥有了这样的方程。当然，物理学大师薛定谔曾针对生命提出过负熵的概念。按照费曼的观点，当计算机发展到一定阶段后，是否可以直接从薛定谔方程来开始计算生命体的演化也不是不可以想象的事情。
回到你的问题。就拿残余应力问题来说，经典理论的观点是界面的晶格和热传导系数的失配造成的，而“人民科学家”程开甲先生就不这样认为，他认为上述的两个失配只是次要因素，而主要因素是他所提出的表面电荷密度差，这也在我的《纳米与介观力学》中得以充分的论述。
杨振宁先生也曾强调过，物理学的前沿之一就是寻找量子力学和经典理论之间的界限，诺贝尔奖有几次都授予了这个方向。当然，介观力学和任何学科一样，都有其局限性和阶段性。
问：连续介质力学向介观力学过渡的过程中必然会涉及其他学科的知识比如化学等。请问我们研究生在遇到这种涉及到交叉学科的情况如何应对会比较好？
答：
物质世界是很复杂的，并没有像我们在做学科研究时，划分为力学、物理学、化学、生物学等。拿生命体来说，它是一个复合型的问题。我昨天下午刚刚在中科院物理所主持了一场博士论文答辩，答辩人是研究直线型分子马达的，比如说，我们的肌肉中力的传递就是靠分子马达。分子马达每走一步，其步伐就几个纳米，分子马达消耗的能量来自于ATP的水解，ATP水解成ADP和磷酸盐，这是一个化学能直接向机械能转换的问题。一个 ATP 水解大约释放出12倍的kBT能量，也就是 10−20焦耳的量级。所以，分子马达就是一个典型的力化耦合问题。
现在国际上有一门新学科叫做“Mechanochemistry”,翻译成“机械化学”或者“力学化学”。对于交叉学科而言，复合名词中，哪个在后面哪个是主要的，比如说“物理力学”是属于力学学科的，因此，我们更倾向有一门“化学力学”新学科，其英文是：Chemomechanics。
第一步是需要考虑化学效应对连续介质力学本构关系的修正，目前有化学效应对广义胡克定律的修正等，第一原理模拟以及考虑反应力场的分子动力学等都能很好地揭示或模拟诸如甲烷热裂解的过程等等；第二步是应该在大量实验的基础上，建立全新的理论框架，这当然还有一段很长的路要走。
问：您能谈谈您处理科研上的困难时的方法论吗？
答：
我的一些体会可能会和其他老师有些不一样，这和我的研究经历有关。今年杭州力学大会上，就有两个报告的题目就涉及到我博士论文的一个贡献，也就是冲击动力学中的“饱和冲量”。1993年，我和博士导师一块起了一个新的名词术语，叫“饱和冲量”，目前在舰船安全方面得到了应用。到力学所后，我独立提出的一个无量纲数“响应数”也在冲击动力学的各类结构的冲击响应中得到了广泛的应用。所以，从事学术研究特别是担任导师，为课题组选题和为研究生选题就是一个头等重要的问题。
上面我已经提到的，我从中科院搞知识创新工程的上个世纪九十年代末开始，一直到我2014年获得国家自然科学二等奖的感受就是，选题一定要选所研究领域非常“硬”的问题，不能绕开你所面临的主要学术难题。举个例子，在 2000 年左右，我所在的非线性力学国家重点实验室，开始以 MEMS 作为重要的方向之一，我将几名研究生派到微电子实验室真刀真枪地做 MEMS 的相关器件，发现很多界面都黏附在一起。当时黏附就是一个“卡脖子”的问题，所以很早地开展了黏附接触力学的研究，后来有关电润湿问题的选题，一样都是 MEMS 中的“硬骨头”，从实验平台搭建，到模型建立、多尺度模拟，不但出了成果，而且还培养了多位青年人才。
我现在主要从事非常规能源中力学问题的研究，最难的仍然是选题。从宝贵的实验样品的获得，到干酪根的超大分子式的建立和热裂解的机理，到新的黏附、脱附、驱替方程的建立和多尺度模拟等，一路走来，均是产业界十分关心的硬问题。
采访人：张 一
采访稿：李 翔
摄 影：宋广凯
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