2021年6月1日19：00，由西安建筑科技大学力学技术研究院（IMT）开展的力学家访谈，在腾讯会议线上进行。本期访谈的嘉宾是清华大学余寿文教授。
线上访谈掠影
力学家访谈源于对力学家的致敬，希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想，以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下：
问：您能简单谈一下微电子机械系统中纳米尺度下的薄膜-基底界面的破坏与失效问题吗？
答：关于微纳尺度的力电系统或者机电系统，它的薄膜和基底之间的破坏的问题，我从以下几个方面给大家介绍：
第一，薄膜和基底，这中间是一个材料对。材料对中特别是基底，它的刚度大小，以及材料性质的分布，对整个的破坏状况是有很重要的影响。一般的讲，纳米尺度中，在薄膜和基底之间，经常发生的是界面的脱粘和滑移。脱粘，主要是受法向载荷等的影响，而滑移受切向载荷的影响，这归类为第一种破坏形式。第二种破坏形式是失稳或有些特定情况下，我们称之为皱褶（wrinkle）既有脱粘和滑移，还存在失稳和皱褶；第三种破坏在微尺度时，存在皱褶屈曲和脱粘滑移之间的耦合效应形态就是薄膜的失稳褶皱可能还会加剧脱粘在微尺度下，已经有很多关于这类问题的实验和理论工作。还有电迁移短路等破坏现象。
第二，我想说说在研究薄膜和基底的破坏中有几个方面是要非常注意的。首先薄膜和基底本身可能会有初始缺陷，除了我们上面讲的破坏形态外，面内还存在缺陷，而对于微纳尺度，中间缺陷的表现形态是多种多样的。其次我们还要注意薄膜和基底的构造，不同的基底会对薄膜本身的行为造成影响。还有需要注意的是不同界面的结合工艺，它会影响薄膜和这个基底之间的结合。所以在研究破坏形态时，要严谨考察观摩基底本身的面内缺陷，以及薄膜基底中间有什么样的变化规律，还有他们之间的粘合的工艺。
第三，实际上我们讲膜~基破坏的问题，它在微电子和信息行业是很重要的，它是基础性的工程科学。在这个过程中间，还有两个方面需要深入研究，一是对于薄膜和基底如何把它根据需要来韧化，二是在基底下面加上各种各样的应变，我们加载荷使其变形，通过对基底加各种各样的外部环境载荷或者变形，来改变薄膜的中间它所产生的行为，常称为应变工程。
总结一下，我想介绍的第一个是上述三种很重要的破坏形态。第二个希望大家能够考察薄膜基底和界面三者的工艺过程等。第三，我们在认识规律后，我们还要对它进行利用，通过应变工程施加基底的各种各样的环境和应变，使基底—薄膜的系统朝着我们需要的目标前进。
问：宏观的裂缝开展对应的微观原子分子尺度的物理过程是怎样的？
答：这是一个亘古不变的大问题，有人说，我们要用眼睛，有时要用放大镜来考察宏观裂缝的扩展，裂缝扩展会发生大变形和钝化，特别是对于塑性材料。一般的材料在裂缝的扩展过程中间，裂缝的前缘有一个损伤区，材料学家称之为过程区。另外，如果我们加上动载荷，还会发生分叉，它不是一个方向，很多方向在那发生扩展。因此宏观裂缝扩展多种多样，不同的材料扩展的形态也不一样，脆性材料一旦扩展即为失稳扩展，对一些具有韧性或者塑性变形耗能的材料，它的扩展会产生钝化、损伤等。
在这么多不同的情况下，如何生动地描写宏观裂缝扩展这一过程？首先要考察它的整个细化物理过程，有些研究者把它叫做显微镜过程。我刚才讲的我们用放大镜看裂缝的宏观扩展，有的是眼睛可见，有的需要用一般的放大镜我们才可以发现，比如我们在连续介质力学的这个尺度把它平均化了，在断裂力学里有应力强度因子、J积分、裂缝张开位移等等不同的表征量，这是宏观的，或者是在这个意义上眼睛可见，放大镜可见，但是实际上材料的研究者们看这中间还是一个原子级的甚至更细级别的一个分离过程，在这个过程中，有些物理学家提出中间这个叫做尺度连接（linking scale）。对于这个连接的过程最早有人根据原子和分子的结合力过程，提出各种各样的结合力模型，来描写从宏观的到微观尺度，一般的讲，对于金属材料，它可以是微米尺度；不同的材料尺度是不一样的，如果我们需要进一步研究，我们就用纳米尺度，一直到原子尺度。我们用分子动力学的方法，把它每一个运动的原子分子，描写成为一个我们在牛顿力学体系下面的典型单元，即用分子动力学来进行模拟。
这是在经典力学的前提下面，如果我们再细分，那么它就有电子的尺度了。这时人们发现经典力学方法已经不适用了，必须引进类似于量子的新描写方法。从连续介质、微结构、原子分子、到电子的尺度，把它连接起来，实际上是一个从上到下和从下到上的一个裂缝扩展的一个连接过程。研究者们从不同尺度出发，使用不同工具来描写它，力学模型就产生了。
这是最近几十年大家努力的方向，到现在还有很多学者在做跨尺度连接，我感觉这段研究是一个永恒的过程，人们对客观世界的认识，是逐步深入，现在我们还在不断的探索，这是一个攀登山峰的过程，可能还有很长的路才能走到山顶。
问：在学科交叉融合的科学与技术背景下，计算机飞速发展，数值模拟方法在断裂力学中的应用前景如何？
答：所谓学科的交叉交融，这在客观自然界、工程界、天文界、地球到人的生命中，它本身就是综合的，人们需要去认识它，所以要考虑从不同的角度来研究。研究这个过程，本身它就有不同的学科聚集在一起，这是客观存在的。人们发现一个问题，通过实验的办法进行研究，这是一方面，这是认识来源最重要的源头，在源头基础之上，人们开始思考并建立它的力学运动模型。这是从力学角度来研究的，但对于这种综合的问题，如果使用数值计算，它是基于实验和观察的，从实验和观察角度才能够建立一个好模型，才能够用数值模拟计算并解释，我想应该强调四点：
一，我们学科交叉和交融，要看你研究对象的构元是什么？研究对象不一样，它的构元不一样，尺度也不一样，原本我们研究纳米材料，它的尺度就是纳米尺度，如果我们研究地球，那就是公里~几千公里的尺度，要寻找计算方法与它符合的构元和相应的尺度和模型。我想强调的第一点就是我觉得人们在认识断裂问题中，要用从实验、观察和建模的、数字计算的角度，这两个方面是我们研究问题的左右手。
二，我们进行数值模拟时，一定要清楚断裂问题中，它的作用力是什么？。载荷多种多样，比如说重力、水压力等，研究到微米分子尺度时，它中间的相互作用力还包括很多物理力。做数值计算的人一定要很好的了解外力载荷关系和环境等，它是断裂的因，这对最后结果有很大影响。
三，材料的力学性能及本构关系是做模拟的人必须要掌握的，只有本构关系搞准了，你才能把它用于数值模拟中恰当地描述物体的禀性。，不同的学科交融中，本构关系中的耦合和演化也是需要认真思考的。
四，现在我们在做数值计算，很多东西都是正问题，即给定外载荷、环境、材料本构关系等，然后观察它是怎么受力、变形、破坏的，这是正问题。可现在工程上有很多问题，我们看到是运动的结果，我们要追溯它的原因，就要当成反问题来算。比方说我们一个机器结构中有裂缝有损伤，要从它反映出来的波动过程，或者别的过程中，从这些量来倒过来看它中间有什么样的缺陷。这就是我们结构健康诊断中很重要的问题，而且是如果要在线来检测的话，就更困难了。
在学科交叉交融的大背景下，我们又有了一天比一天强大的计算能力，通过网络，大数据的积累，通过各种新的机器学习的方法，我们有可能从大量的信息中间来抓取刚才讲的这几个对象背后的规律，今后来讲，我们要把确定性的过程和随机过程真正的结合起来建模，利用数据库和大数据积累，利用我们在人工智能中所积累的一些新认知。今后我们用数字计算方法，通过建模走向Cyber Physical System，相当于赛博空间下用计算建模的方法来处理一个系统化的问题。我认为这将标志着使用数值计算研究交融学科的断裂和损伤进入了一个新的时代。
问：老师您曾发表文章“大学的本质功能与中国科技人才的培养”，在其中强调了人才培养的问题，请问您对研究生培养有何建议？
答：研究生的培养是大学中人才培养一个非常重要的部分。我们讲研究生培养，导师和学生中关系最重要的两个字是什么？育人。研究生培养如果离开了这两个字，研究生就可能变成工具。我们培养研究生是为了未来他们成为国家有用的骨干人才。
研究生培养中第一个很重要的就是到底研究生是做什么的？现在有的人称导师为老板，觉得研究生就是给老板打工。这样是不对的。研究生是通过和导师一起研究交流，揭示客观世界的规律，同时让自己成长为明天的骨干。
第二，研究生该如何培养？我们都曾听说过“钱学森之问”，钱老提问为何我们的学校无法培育出杰出的人才，他自己也做了答案，其中有一条是我们要学习并真正理解掌握唯物辩证法，用它来观察世界、我们的社会和研究的对象，这实际上就是方法论，你需要掌握真正正确的方法，建立在唯物辩证法的基础上，来认识世界、认识人生，认识人生的价值等。在研究生培养中，你写论文是为什么？在10年以后，你可能早已不在这个领域了，但是你在做论文的过程中，你所学到的方法论，为什么要做这个东西？怎么做？如何收集材料，如何进行试验？如何去伪存真？如何提出新的问题？如何解决问题？如何和人家交流？如何使你的结果变成客观世界上有用的事物。这些能力你到哪都可以用。我们称之为可迁移能力，你这些能力今后到了别的地方，换了个行当，是可以迁移过去的。
第三，现在很多人鼓励搞研究来自兴趣驱动，但是我的看法不完全是这样，我认为应该是志趣驱动，一般的人，志和趣是不可分割的，志存高远，在研究中是有自己想要完成的目标，在克服种种困难后，最后取得成就时才会由衷地感到有趣、快乐和幸福。
第四，现在的研究生的学习资源是很丰富的，网络提供了极大的便利，研究生应该先选取若干本领域的权威著作去精读细读，用这些最基本的原理打好基础，其次，讨论也很重要，你们IMT现在举办的这些讲座就是很好的例子，大家相互交流，互相促进，一起提高。
最后，送给研究生同学们四句话。一，听百家言，百家争鸣，百花齐放；二，读千卷书，这是需要一辈子慢慢进行的，各个领域的好书都可以品读；三，行万里路，科研是离不开实践的，这包括社会调查，做实验等等；四，登千仞峰，不同的时代有着不一样使命和任务，当代大学生一定要勇攀高峰，为国家需要、人民幸福、民族振兴来实现人生的价值。
问：老师您曾任中国高等工程教育研究会副理事长，能跟我们简单地谈谈工程教育研究吗？
答：这是大学里一个重要领域。我曾负责清华大学的教育管理工作，在这个过程中，我慢慢地意识到中国工程教育中一些概念性的问题要认识和解决：第一，我们要培养新时代的工程师，不仅仅局限于造水坝、飞机，房子等，还涉及到了要上天，要入地，要下海，进入赛博的空间，还有人的本身健康安全工程问题。
第二，工程师是多样性的，比如说每一项工程，它的构思、设计、建造、管理、研究都需要工程师来做，而且我们要求在每一个方面工程师都要做到卓越，而不只是单一的卓越。
第三，在中国今后从事工程需要注意两个问题，一是培养的人才要首先要考虑中国的国情，为人民幸福和国家需求服务；二是，我们需要学习世界的先进工程，向其靠拢，最后并驾齐驱甚至超越。
第四，评价一个大学的好坏，看的不是它实验室的数量，教授的知名度，经费的多少，而应该聚焦于它的产出，对世界、知识，工程的贡献等。大学按这样教育培养的学生才会产出好的结果，才能满足国家需求和人民幸福，使我们民族真正崛起在世界的东方。
撰稿人：戴远帆
审稿人：李蒙
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