研究生培养专题报告——吴光恒研究员在2015年开学典礼上的讲话

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更新于2015-11-05

 



吴光恒研究员在2015年开学典礼暨入所教育上的讲话 

  

中关村里的美好时光

(根据吴光恒研究员讲话整理)

     各位同学好,我叫吴光恒,是所里磁学室的一名普通的研究员。首先祝贺硕博连读的同学告别了雁栖湖的乏味生活,走进了实验室,同时祝贺读博士的同学,在几比一的竞争中胜出,进入物理所开始攻读博士学位的历程。科学是美好的,大家在中关村的这段时光是美好的,而且应该是最美好的。为什么呢?首先,你们已经长大成人,被家长说“这个不能做,那个不能做”的时期已经一去不复返了。而这个时候大家父母的身体都很健康,大家没有后顾之忧,同时也没有家庭的拖累。其实大家在本科期间已经就满足这三点了,但是为什么现在是最好的时光呢,因为大家有奖学金了。现在网络语言很发达,不叫有钱了,叫财务自由。据说有这么几个等级,第一是去菜市场买菜不问价,第二是买日用品不问价,第三是买奢侈品不问价,第四是在北上广深买房子不问价。我想大家现在的状态是在物理所食堂吃饭不问价。这段时光会过得非常快,希望大家以一个积极上进的心态面对,靠勤奋努力来积累自己的业绩,总之就像刚才王所长提到的,珍惜美好的时光。
     研究生部老师找我给大家作报告,其实就是聊聊天。所里每年都有老师会跟大家作报告,内容登在物理所研究生教育网上置顶的新闻里。这些老师都讲得非常好,道理都是不过时的,希望大家有时间去看看。施一公讲得更好,他说,生命就是体验,既然只有一次,为何不做到极致呢?我讲不出这么炫的语言,那么我来跟大家讲点什么呢?我们这个课题组成立已有20多年,今天我们就走进我们的课题组,看看我们的同学,也就是大家的师兄师姐,他们是怎么做工作的,讲几个工作做得比较好的故事,可能对大家有所启发。每个学生到组里我都会说,你们从本科到研究生都要过个坎,但是这么多年我也说不清这个坎该怎么过。我想最重要的就是大家一起做,一个讨论,同时去悟什么是科研,做科研和读本科有什么区别。
     我所在的实验室叫磁学实验室,也是当年的国家重点实验室。磁学室共有6个课题组,其中就一个就是我所在的组,这6个组都有一个共同特点,名字上都有“材料”,因此磁学是跟应用结合非常紧密的学科。我所在的课题组主要侧重研究磁性功能材料。在课题组里,我属于年龄比较大的,也有年轻的老师,也有管实验、管设备的老师。组里常年有10名左右的学生。科研是脑力劳动,所以只有在非常放松、心情愉快的情况下,科研的效率才高。高兴是一天,不高兴也是一天,所以创建欢乐祥和的实验室文化,是非常重要的。除了工作,我们还经常组织活动,增进大家的了解和沟通,焕发出最大的活力。长期以来我们都有意无意地创建自己的实验室文化。我不能用一句话就清楚说明我们的文化是什么样,但是我们已经有自己的文化衫。有一年学生毕业,提出我们做一个组衫吧!这就是我们的组衫,其中这个图案是课题组具有自己学术特色的理论,叫化学键与磁性的相互竞争,后面也会提到。
     今天给大家的讲的是我们组里的一部分工作,叫磁相变材料。磁相变材料首先要有磁性,磁性来源于材料中原子核和电子的运动,运动的电荷产生了磁性。当运行的电荷产生的磁性没有被完全抵消时,就表现为原子的磁矩。如果我们给材料外加磁场,出现这样的磁滞回线,我们就说材料具有铁磁性或亚铁磁性。 另外,什么叫相变呢?就是材料的晶体结构中的原子发生很小的畸变,变成另外一种结构,我们叫马氏体相变。具有这种磁性和相变的材料,它内部的磁性和结构和是紧密关联的,当它的结构发生变化时,磁性也会随之变化。当给材料施加外界磁场,改变其磁矩结构时,它的晶体结构也会发生变化。这样的材料在外界条件的作用下,比如温度、应力、磁场等,会反馈给我们很多重要的物理性能的变化,一般被称为智能材料。我们课题组所具体研究的材料是磁性合金,主要有两类,一种叫Heusler型合金,一种叫MMX六角合金。
     之前说过材料在结构发生变化时磁性会随之改变,这比单单会相变而没有磁性的材料有什么好处呢?我们举例来说,没有磁性的相变材料,它可以用于卫星对地拍照。当卫星正对太阳时,太阳光射入窗口,温度会非常高,会对卫星设备产生影响,这时这个百叶窗应该关闭;而当卫星背对太阳时,百叶窗又应该打开,对地球照相。那么我们选用的这种受光照变温而发生形变的材料就可以实现这种功能,而不需要外加电源驱动。如果这个材料有磁性,磁性可以监测开关的大小,同时控制其打开和关闭的程度。因此,这类材料的兴起,得到了科研工作者的重视,成为硬磁和软磁两大类磁性功能材料之后的第三大磁性功能材料。
     我们现在经常提到物联网,它是在互联网的基础上更多地干预了我们周围的生活。物联网和互联网的区别就在于,它需要更多的敏感器来探测环境,还要有更多的执行器来执行我们的指令。探测器里的核心材料中就有一部分是磁性材料,因此磁相变材料的应用是很广泛的。
     我们做的是科学研究。什么是科学研究,从百度上查,说的是增进知识,探索未知,其目的是为了创造发明新产品和新技术提供理论依据。具体在我们课题组,我们是把做出新材料放在首位,而通过对材料的测试归纳出新理论,通过掌握的规律再发现新材料,这样循环往复。所以我们的工作就是找到新材料,然后回答其中的科学问题。再针对物联网来说,随着物联网的发展,将来其敏感器和执行器方面将有巨大的市场,而这两个器件的核心材料就是磁相变材料。国家现在正大力发展制造业,但是跟德国、日本等国家相比还存在一定的差距。因此我们既要提高制造业的水平,还要在发现新材料方面发挥长处。我们要在主流市场到来之前,发现更多的新材料,申请专利,占据知识产权。
     我们研究的材料其中一种就是Heusler型合金,它是以德国化学家Heusler命名的。他在1903年就确认了这种材料的结构。Heusler型合金的化学式是X2YZ,X和Y是过渡族元素,而Z是主族元素。其结构是Y和Z处于一层中,而X处于另外一层,Z起到的作用是稳固这个结构。这种材料中有一小部分是磁相变材料,早期有Ni2MnGa和Co2NiGa。合成这种材料的一般方法是将几种元素单质熔化到一起,凝固后得到各式各样的样品。然后将样品在各种设备中测试,得到各种不同的结果。这只是科研的准备阶段,真正的科研是要求我们把测量到的数据进行对比和分析,找到其中的规律,深化我们的知识,进而发现新的物质。
     前面讲到这个家族里已经有“老大”和“老二”了,那么我们希望发现更多的具有磁相变的Heusler型合金。其中的一个新材料是组里的同学柳祝红完成的。最开始她也不知道哪个材料是新的磁相变材料。她就从Ni2MnGa开始做,往这个材料里面掺杂Fe,而最开始他对掺杂Fe的目的感觉也是模糊不清的。凝聚态物理实验就是具有这样的特点,不是目标很明确了才去动手,而是目标不明确时我先动手试一试。当掺杂Fe以后,他发现Ni2MnGa原本很脆的质地有了很大改善。他就进一步增加掺杂量到80%,发现材料的磁性增加而相变还存在。她马上想到,如果完全用Fe代替Mn,即合成Ni2FeGa,而如果新的合金仍有磁相变,那么就是一种新的磁相变材料。然而,当他将Ni2FeGa合成出来后,发现磁性还在,但相变的形状非常不好。然后柳祝红去做晶相观察,发现有很多γ相,而这个γ相导致整个材料的相变结果不好。做金属去掉杂相的通常做法是退火,但是退火以后这个材料的相变结果依然不好。这时候,她就把结果拿来跟我讨论,把自己的思路和现在的结果跟我讲解了一遍。故事到这个时候的发展,我就觉得很有意义了。看这个金相图,这个黑的是杂相,白的是主相,主相就是会发生相变的部分。主相和杂相的化学成分不一样,所以很可能主相的化学成分发生了改变才会导致不好的相变结果。这时候柳祝红问我:这个材料在退火后相变结果变得更糟,这是为什么呢?这句话启发了我,因为退火是一个平衡的过程,如果平衡让结果变差,那么好的结果一定是在非平衡的状态下得到的。这样,我让她在熔炼之后做一次甩带(急速冷却),即得到非平衡的样品。她甩带后发现没有杂相,测出了非常漂亮的相变结果,于是一种新的磁相变材料Ni2FeGa就这样诞生了。我特意讲这个细节,是想说科学研究和大学本科不一样,大学本科老师把未知的知识讲给大家,而在科研中导师和学生是相互促进、互相启发、相互推动,这跟大学本科是很不一样的。柳祝红能做出这个工作,除了她勤奋以外,她还深入思考,思考用Fe替代Mn后为什么退火会让相变更差,尽管她不知道为什么退火会使相变变差,但是她和我的讨论让我们完成了一次非常好的配合。
     从刚才这个例子,我们说明,有时新材料的发现是没有什么道理的,做事情做到那里才会发现新材料。所以改变材料原型的化学成分,看有没有新的化学性质,如果有就得到一种新的材料。这基本上是目前材料领域做出新发现的主流方法,虽然有很多人想通过理论指导,但大多数还是这种“炒菜”式的研究方法。这种试错的方法也并非不好,在炒菜的过程中,谁合成的材料多、谁测量的多、谁效率高,谁发现新材料的机会就大。这种仿照人类基因组计划的方法,我们叫做材料基因组计划,除了大量的理论计算之外,还有高通量的实验和测试,像流水线一样,所有的测试结果汇总到计算机中进行分析。美国作为先进国家,就有这样的条件。一位名叫Wutting的美国教授,用磁控溅射的方法,在硅片上一次性合成几百种成分不同的样品,然后在一台很好的微区X光机上逐个测量样品的结构。他还有一台很好的微区磁测量设备,能一个点一个点测出样品的磁性。他的效率很高,他把镍锰镓相图里的很大一部分材料都进行了合成和测试,然后在《Nature Materials》上发表了一篇不错的文章。
     像这种高效率的设备是非常有利于新材料的发现的,但是在他所发现的一系列材料中,有一种材料却未被报道。而我们课题组没有这么好的设备,我们一次只能制作四个样品。那么在发现新材料的研究中我们还有没有机会呢?其实是有的。Heusler合金中的第四种材料就是我们课题组的刘国栋发现的,就是在Wutting没有报道的那个区域里发现的。最开始他的出发点也是很单纯的,他也做Mn2NiGa这个材料。他说Ni是2,Mn是1,如果增加Mn,减少Ni,到最后会变为NiMn2Ga,也是一种Heusler合金。那么这个材料有没有磁性和相变呢?如果有,那就又是一种新磁相变材料了。然后他就逐步改变材料中Ni和Mn的含量,发现随着Mn的增加和Ni 的减小,这个材料的相变始终保持,而且Mn2NiGa的居里温度比Ni2MnGa高出许多。这个材料就这样被发现了,出于刘国栋强烈的好奇心。所以往往一个高级的设备摆在面前,会让你放弃人类在多年进化过程中进化出的脑力智慧,而不能有所发现。好奇心使得我们在很差的设备上也能取得好的成果。当年麻省理工学院发现Ni2MnGa的教授来中国开会,在来之前他特别发信说要来我们实验室访问。我不知道是因为我名声在外还是他对北京的故宫和长城很感兴趣。我说,你来我们实验室访问,然后再派两个学生陪你逛故宫和长城,其中就有刘国栋。我跟学生说,你们每个人都要跟他讲讲你们的实验结果。当这个教授看到刘国栋的这条曲线时,他惊呼,自己就做到一半,发现材料没有了相变就放弃了,因为改变材料的成分时相变消失是非常正常的。而刘国栋一定要看看Ni和Mn的含量完全改变后是什么样子,才发现了这个材料。
     Heusler合金到目前为止一共有5种材料,那么这第五种也是我们课题组的一位叫朱伟的学生发现的。他在开始做这个课题时,状况还要艰难,因为我们感觉已经没有什么可做的了。当时有一种材料叫磁致伸缩材料,它的基本成分有Fe和Ga。我告诉朱伟,这个材料有北航、北科大做得很好,我们做不过他们,可以做点基础性的工作,比如往里面掺杂Mn,掺杂Mn以后材料会产生反铁磁性,这个时候磁致伸缩的性能会有什么改变,也许会有些特殊的发现。朱伟就开始做这个实验,结果发现随着Mn掺杂量的增加,材料的磁致伸缩性能逐步下降。如果朱伟在这个时候找我,说吴老师这个材料的磁致伸缩性能一直下降,也没发现其它新奇的现象,这个实验到这里也没什么可研究的了,那么这个事情就算结束了,因为我也不是神仙,不能猜出后面有新材料。可是朱伟比较执着,继续往下做,磁致伸缩性能还是很差,再往下做,还是变差,再往下做直到材料的组分变为接近Fe2MnGa时,发现在磁致伸缩急剧下降的时候,这个材料变成了一种新的Heusler型的磁相变材料。这是Heusler合金的最特殊的一种,因为它的相变是往上走的,而不是其它几种材料往下走的,而且它有非常好的磁场驱动相变的性能,同时这种材料对于不同热处理温度会形成三种不同的结构,如果这三种结构都有好的特性的话,我们就发现了三种新的材料。
     朱伟的经验告诉我们做科研还要执着,在什么都没有的情况下,在非常“囧”的时候,不要放弃信念,才能取得好的成绩。
     目前发现的具有磁相变的Heusler合金一共有5个大家族,其中有3个就是出自我们课题组的这三位同学,让我们在对外交流的时候非常自豪。今天我把这三个家族如何被发现的故事讲给大家,你会发现这些非常好的结果,往往在开始是非常不理想的,这几乎是科研和发现的普遍规律。万有引力的发现很伟大,当初就在于苹果落地的一刹那,多少人见了不以为然,但是只有牛顿这么想,才发现了万有引力。水烧开的时候壶盖会“啪啪”作响,这是非常普遍的现象,但是瓦特利用它发明了蒸汽机。所以大家不要小看导师在最开始的时候给你的课题,而往往科研要从容易的入手,从你做的结果中找到创新点,才会获得好的成绩。
     除了前面介绍的这些工作,我们还有其他同学做了很多工作。所以做了这么多工作,我们希望从中总结出一些规律。Heusler合金有很多种,但具有磁性的只是一部分,而再兼具相变特性的只有极少数的部分。为什么它们既有磁性又有相变?这里面有没有什么规律可循?过去我们做合金的时候有一种理论叫电子合金,我们使用过几次,都不好用。那么能不能总结出一种新的规律,来指导我们寻找新的材料?如果能找到这样一种规律,那么我们找新材料就不用靠猜了,大概有一个方向,效率会高很多。我们就这样总结,如果把化学键和磁性各做一个坐标轴,那些磁相变材料往往在磁性并不是很强而化学键较弱的情况下出现,而离开这个区域后磁相变就没有了,尽管这时磁性很强。磁结构复杂的材料往往结构是不稳定的,相变就是结构不稳定的表现之一。显然这些现象暗示我们去研究磁性和结构之间的关系。这时候我们再回到教科书和过去的文献中才发现书到用时方恨少,因为当你需要解答问题的时候才发现教科书和文献在这方面的理论储备是非常苍白的。其中只有在《铁磁学》这本书的后面有一个70年代很活跃的美国科学家M. Stearns提出了一种d电子传导的交换作用的理论,这个理论勉强能够解释Heusler合金中一些磁性的起源和交换作用。而我们的教科书中甚至对于Fe和Co的磁性起源和交换作用讲得还很矛盾。因此我们就采用了Stearns的理论。对于结构,Heusler合金中的X、Y、Z三种元素占据什么位置是有规则的,叫Burch’s Rule,这是长期大量观察这种合金后得出的规律,即价电子的多少会影响原子在晶格中占据的位置。我们就用这两个理论来研究磁性和结构的关系。但是磁性和结构的关系在科研的历史上就一根“硬骨头”。历史上曾有很多人艰难的研究过,包括著名的冶金学家Zeener,他是20世纪50年代非常出名的一位大师,曾经写过一篇文章来论述磁性和相变的关系,并指出他们之间的关系是很重要的关系,对冶金学的发展有很大的影响,可惜他在这方面的工作做得不太理想。长期以来,磁性和结构关系,也叫磁性影响结构,由于进展缓慢,逐渐变成了一个边缘性的课题。没有多少人做,也没有多少跟进。我们现在就要啃这块“硬骨头”,而且认为这块“硬骨头”很重要,因为如果研究清楚了,可以对我们发现新材料有指导性的意义。
     这个工作就是我们这四位同学(冯琳、马丽、张红国、张玉洁)做的。这四位同学的研究工作的特点是没有发现新材料,而是在已发现的材料体系中寻找反例,即在磁性材料中与上述结构规则不一样的材料,然后再去研究为什么这种材料中的原则没有按照所谓的规则排布,最后他们都归结到了一个答案,就是磁性的某种影响,使得原子排布打破了原来的规则。Burch’s Rule的基本原理就是化学键,这是当前主流认为的物质形成的原因。在磁学界一直有一种观点就是先有结构,即原子占据一定的位置,相互形成化学键,才有磁性。可是他们的研究发现,磁性虽然比化学键的能量低一个数量级,但是在两个结构(的能量)不相上下的时候,他们具有决定性的作用,可以影响材料最终的形成结构,就像压倒骆驼的最后一根稻草一样。长期以来大家不重视磁性所起的作用,就是因为磁性只是在一些比较特殊的情况下有所表现。但是,他们的工作已经说明了磁性可以影响结构的稳定性,就是相变。所以在磁性的环境里调整化学键和磁性的话,就有可能找到新的磁相变材料。他们四人的贡献就在这里,前赴后继做得相当不容易。最后,我们得到了三条经验规律:1、磁性可以磁性是可以影响物质结构的;2、化学键与磁交换作用是竞争关系;3、它们共同决定结构稳定性。另外,结构的稳定性还体现在凝固是材料是否可以很好的成相。如果不能很好的成相,我们叫做凝固失稳。如果在材料合成时采用某种手段强迫它成相,那么这种不稳定会固化在结构中,早晚会在物理化学因素的“风吹草动”下发生相变,把不稳定释放出来。那么到现在,我们已经差不多可以模模糊糊的指导我们如何找到新材料,同时也形成了课题组的学术特色和流派,将来还可得以传承。
     下面我们就举个例子来说明我们在这个理论的指导下找到新材料。在这之前,我想插一段小插曲。Heusler合金有两种结构,一种是L21结构,一种是Hg2CuTi结构。我们前面讲过,Heusler合金是X2YZ的结构,Z必须是主族元素。那么在Hg2CuTi中谁当做主族元素呢?这三种元素都是d族的过渡金属。我们和学生在一起讨论的时候,有时候就会提出这个问题。这个问题没有答案,而且没有主族元素的话,它怎么能形成Heusler合金呢?关于这个问题,我们认为应该是Ti起到了主族元素的作用,它所形成的化学键叫p-d杂化,形成了稳定的化学键。而Ti也可形成d-d杂化,所以我们就想通过调控杂化方式,将p-d杂化调控为d-d杂化,即调控了化学键,化学键的改变可以导致结构稳定性的改变,进而可能产生相变,所以我们合成了Ni2MnTi。果然Ni2MnTi具有相变,但是由于d-d杂化的影响,材料的磁性减弱了,我们有利用了课题组的一种“铁磁激活”办法,提高了材料的磁性,实现了化学键和磁性的双调,把磁性和晶格调制好以后,就发现了新的材料家族。这个材料家族不同我们发现的三种Heusler合金,它是和Heusler合金这个材料家族并列的家族,是我们课题组开创一类新的磁相变材料家族。因此我们不仅申请了中国专利,还在美国、欧盟和日本人的门口申请了专利。
     由于这种材料全部都是过渡金属并且以d-d耦合形成的,所以我们起名叫d-metal磁相变材料。它有许多非常好的物理特性,尤其是改变了化学价以后它有非常强的韧性和延展性,这在加工方面是很有利的。不要小看材料的机械性能,Heusler合金之所以没有成为现今做器件的主流核心材料,就是因为它太脆,加工性能不好,而d-metal材料可以。Heusler合金的磁性很好,但是机械性能太差,而镍钛合金机械性能很好,但却没有磁性。而d-metal材料都具备。如果说这种具有我国自主独立知识产权的材料家族的成果是非常高大上的,请大家注意它的起点往往是一个不起眼的问题。但就是这个不起眼的问题和我们后来知识的增长结合到了一起,就得到了我们现在的成果。所以大家不要看不起这个“屌丝”的起点,几乎所有的大人物当初都有一个“屌丝”的起点。坦率地说,大家现在在科研领域都是“屌丝”。也许大家在硕士期间会有很好的成果,但是一定不要觉得自己现在的起点很低。
     再讲一个故事,就是MMX六角磁相变材料。M是一种过渡族元素,而X是一种主族元素。这个材料在上世纪80年代之前已被进行过相当系统的研究,它的磁性和相变特征已被研究的非常透彻。它们的晶体结构被中子衍射做得很清楚。所以经常会有人说,像这种材料,早就被人研究过了。我告诫同学们,听到说这种话的人千万要加强戒备,轻信往往会对我们非常不好。研究的再透彻的材料,也会有新东西发现,MMX就是个例子。MMX材料中有少量几种是具有相变的,它的六角结构经过原子的畸变而形成正交结构。这个材料有磁性,但是它的相变温度很高,相变没有发生在磁性存在的这个温度下。这个材料在高温下,随着温度的下降会发生结构相变形成低温相,而温度更低时材料才会变得磁有序而形成磁性,这个温度我们叫居里温度。而高温相的居里温度是没有的,因为当温度已经降到低温相的临界温度时,材料仍然不是磁有序的。当时接手这个材料的是现在我们组里的一位年轻老师,当年是我的学生,叫刘恩克。他在想,这个材料在高温相有没有居里温度,如果有,居里温度是多少。所以他没有着急合成材料,而是把所有有关的一百多篇文献找来阅读。他发现所有没有相变的材料的居里温度都差不多。他就猜想,这个材料高温相的居里温度也在这附近,而且低温相的居里温度比较高而高温相的居里温度比较低,如果把相变移到中间的温度,即居里温度窗口,如果在这里发生相变,高温相的顺磁材料相变后会变成磁性非常强的状态,因为温度已经在低温相的居里温度之下了。如果能实现上述的想法,那么一种新的磁相变材料就被发现了。他选择了MnNiGe这种材料,但是在MnNiGe中做到这一点是非常难的。让相变温度降低其实就是改变材料的组分,改变材料的组分要完成三个任务,第一个就是让材料的反铁磁性转变的奈尔点改变为居里点;第二是相变温度要降低到合适的位置;第三是在改变材料化学组分的时候居里窗口始终是开放的。所以,经过大量的计算和测量之后,最后选定掺杂Fe。有人可能觉得往材料里掺杂太简单了的,你拿来元素周期表,看自己实验室的药品柜里有什么元素,掺进去就行了。但实际这样做不对,而且效率很低,还容易有遗漏。他认为的掺杂Fe来替代Mn是一种等结构合金置换的方法,是把另一种MMX合金FeNiGe合成在一起,只有把这两种材料合成在一起才能一次性完成上述的三个任务。他完成掺杂后得到了相图,随着Fe的增加,相变发生在了居里温度窗口。而且这个材料的另外一个发现就是它的次热线效应是现在所有材料当中最高的,比稀土材料还要高。于是新的磁相变材料,随着居里温度窗口的物理效应的发现而诞生了。
     80年代已被系统研究过的材料的这么好的物理效应怎么就能轮到30年后的一个毛头小伙子发现呢?前面那么多大家在研究,怎么能轮到他呢?这个问题我们千百次的在问自己,我们觉得这不光是运气问题。这个材料除了在80年代被大家研究后,在2004年,也就是刘恩克还在上高中的时候,很多人在磁相变材料兴起之后,又重新对这类材料进行了系统的研究。其中有一个美国人,他为什么没有发现呢,他采用的体系是CoMnSi。这个材料的问题是它的居里温度不会受材料化学组分的改变而下降。还有一位荷兰人,他们掺杂了Cr,可是他们的居里温度窗口只有上窗口而没有下窗口。还有一位日本人,他是在2004年重新掀起这种材料热潮的第一人,他把相变温度移动到了很低的位置,按理说应该看到了这个居里温度窗口。为什么没有?因为在改变材料组分的过程中,居里温度窗口关闭的速度比相变温度的下降更快,这是坏运气。但是他只改变了Co的含量而没有改变Ni含量,没发现好结果就拉倒了。所以,我们总结,刘恩克入手的时候是从思想入手,而没有从“炒菜”入手。这一点决定了这个材料能够被刘恩克发现。这方面的突破发表在《Nature Communications》上,是《自然》杂志的子刊,将来大家会慢慢听说,我们会推崇这样的高端文章。这篇文章发表在2012年,那年年底,国家某个委员会突然打电话给我们说,听说你们有这么一篇文章,我们要评选XX媒体的若干新闻进展,你们是候选者之一,你们报个材料吧!我们想这个有什么特殊的呢,中国每年在《自然》和《科学》杂志上发表的文章很多。我们就在Web of Science进行检索,在这两个杂志上用“磁性材料”这个关键词检索中国人作为第一作者发表的论文,结果发现在这是中国大陆磁学界本领域的第一篇,前几年我们又查了一下,这是唯一的一篇。在磁性领域里能在美国、欧洲这种追求科普、追求新奇的杂志发表论文上是很不容易的。所以这篇文章就处于这样一个地位。
     故事快讲完了,最后根据同学们提出的一些问题,再讲一个小故事。有时候我会遇到学生问这样一个问题,老师,我在物理所选择导师,我想找靠近应用,将来比较好找工作的导师。就业问题在开学典礼之后的环节会有老师专门讲,最好现在不要讲这个问题,因为你们现在对就业问题的看法和在三年后的看法是完全不同的,现在的想法很幼稚,你们现在就不用想这个问题。但是关于做有应用的研究这个问题,在基础研究的研究所,基础和应用是怎么结合的呢?不要听社会上的说法,你们花了纳税人这么多钱,你们做的东西到底有没有用啊?他们不懂科学,尤其是官员,他们恨不得你实验室做出来的东西马上就可以拿到市场上去卖,这才叫应用。我理解的基础研究的应用,我想拿个故事来给大家讲一下。
     这架飞机是歼15,是辽宁舰上舰载机。歼15在去年进行了第一次的飞机着舰的试验。歼15上有一种磁性材料是做动力传动的。在别的飞机上没有发现这种磁性材料,而只在歼15上发现了。歼15在着舰的时候,如果某个系统磁性不强,它会报警。为什么报警呢?恐怕跟歼15的飞行特性有关。歼15要在舰载的时候落在跑道上,而辽宁舰的面积非常小,就要求歼15在降落时速度尽量慢而且落在甲板的前面。速度要慢,落点要好,还要抗风的干扰,这个时候就要求飞行员频繁操作机翼,相应的材料就会反复被使用,性能不好的话就会报警,会对飞行员的操作产生干扰。而飞机在降落的一瞬间飞行员还要将飞机的动力推到最大,因为一旦有情况不能完成降落时飞行员还要将飞机全速再进行一次复飞,如果加速不及时很可能就不能完成复飞。而对降落真正起作用的是甲板上的三条钢索,飞机在降落时勾到哪条钢索上,飞机就会停下来。而飞行员在如此高紧张的状态时如果面板上有报警,是不允许的。因此就决定把这个报警关了,器件的磁性够不够就靠飞行员操作的感觉了。
     可是,这个事情不算完,这个材料究竟有什么问题?60年代的时候,美国总有高空侦察机飞到国内侦查挑衅一圈就回去了。当时国内没有导弹,都是进口苏联的导弹,射程大概几十公里。高空侦查机的飞行高度在20km左右。防导弹部队就故意设陷阱让侦察机从上海飞入,从南昌飞出。飞机打下来之后,所有的部件切割下来分给各个部门分析。这个材料就是当时被发现的。经过多年的努力,在95年时成为了军方的定型品牌产品。可是,由于歼15的飞行动作复杂,才造成这样的问题。针对问题,他们找到了一军工部门。这军工部门说这个材料和95年定型的所有指标、性能都一样,只有居里温度比定型的产品低了一些。可是怎么会低呢?这是95年就已定型的产品。几个部门相互推诿,一时也说不清楚。后来总装备部指定这个军工部门改进这个材料,重新定型。一段时间后这个军工部门找到我,说吴老师不行了,我们做不出来,我们测不准居里温度,你帮我测下。显然他们改变了很多化学成分,但没有把居里温度提高。我说,测居里温度可以,但是你要真正解决问题,你还要多少告诉我一些材料的成分。这个故事就从这里来。
     这台设备是我们从德国进口的,测相变的一台设备,经过我们改造后可以同时测相变和居里温度。测完之后发现,这个材料的居里温度确实提不上去,原来测到的所谓“居里温度”实际上是由一次相变引起的,不是真正的居里温度。在改变磁性的化学成分的时候,对相变的影响并不大,因此看起来“居里温度”提不上去。这个军工部门的人不相信,他认为就是在居里温度窗口里的这个温度。他说自己有15个样品,如果你说得对,那么这15个样品都是这样,因为磁性的转变和相变是在同一个地方。我说,那好,我慢慢测结果给你。他说,不行,军方催的紧,最好尽快给我结果。估计他的项目快到期了,于是我把这两位同学(李勇、陈家华)找来,他们对这种设备比较收悉,告诉他们抓紧时间测完。他们问,什么叫抓紧。我说你们看着办,钓鱼岛那里等着用。两位同学不含糊,一夜时间把正常应该三、四天工作完成,果然不出所料,所谓的“居里温度”都一样。这就是做基础研究真正要结合应用的地方。95年就定型的军工产品,军工部门解决不了的问题,在我们这里依靠我们的积累,解决了他们的关键问题,这才是我们基础研究结合实际应用的地方,而不是我们做的每一个东西都能卖,每件事情都可以开个公司。因此,同学们再思考应用的时候应该从这个角度去想。
     最后,讲一下知识产权。知识产权就跟国家的主权一样,大家都好理解。当一个新材料的知识产权不在我国的时候,这的影响其实和那个的影响(钓鱼岛事件)差不了多少。磁性材料还有一种很著名的材料,叫稀土永磁材料。这个材料早年俄罗斯人做出了它的结构,觉得没什么用就放在一边。后来日本人把它变成了稀土永磁材料,并掌握了这种材料的核心专利。后来全世界包括中国生产这种材料的时候都要向日本交专利费。很多年过去了,我们交了很多专利费,给日本人打了很多年工的时候,终于这个专利到期了。但日本人很聪明,他们又在这个专利的基础上增加一种工艺,叫速凝片。这样,全世界又要为他打工了。这还不算,速凝片这个专利要求的钱并不多,可是知识产权在日本人手里能做什么呢,他可以决定他卖给谁,不卖给谁。因此,中国的5家企业就找到日本人说卖给我吧。日本人说。反正钱也不多,我就是为了控制专利,那就卖给你们吧,你们交了钱,你们的产品就可以在全世界出口。然后这5家企业就提出了一个条件,说这个专利能不能只卖给我们,不卖给别人。日本人不太理解,后来这5家企业很晦涩的表达了他们的意思,他们是国企,还有私营企业要加入,他们的效率比我们高,如果再卖给他们,那么我们企业就竞争不过他们。日本人当然很高兴,我的明白,这也符合我们日本人的利益。后来国内的很多私企就在打官司,也要加入:自由贸易,凭什么只卖给他们不卖给我们。所以,知识产权也是我们要争的,是我们要完成的任务。很多去过日本的老师都知道,日本人的国家金属研究所的某个大门进门有一条标语:材料是强国之本。给每个去日本看到这句话的中国科研人员以强烈的震撼。我们也应该把这句话刻在心里。
     故事讲完了,最后我还想说,我们课题组里的学生还有几个地方做得不够,我在这讲出来,供大家参考。第一是和老师讨论不够,在讨论和组会的时候往往是汇报工作,把现象罗列出来,没有提问题,尤其是质疑性的问题。质疑性问题提得多,说明在看文献、做实验、分析数据的时候动了脑子。如果没有这种问题,那就是脑力加工不够。就像前面讲到的柳祝红的例子,她脑力加工后才和老师完成一个更高层级的互动。如果她没有脑力的加工和思考,仅仅让老师动脑子的话,老师看你的东西估计也就5分钟,让老师这么快速地替你分析结果,前期简单的归纳总结还是要自己去做。你们就把老师当做一台高效的计算机,但是你的机时很短,你要把最关键的问题放到这台计算机中去算,而不要把一些初始问题让高级计算机去做。第二问题就是分析对比过,测了很多数据,一堆ppt,下一步应该做的是进行横纵的多角度对比,从中找出规律。把样品放到仪器里测出结果,然后再汇总到计算机里,这是农民工都会干的事情,那不是科研,不是你们这些攻读学位的做的事。真正要做的是研究,研究最简单最基本的事情就是分析对比。第三条就是用毕的工具放回原处,这一条是希望同学们在做科研的同时学会做人,老老实实做人,提高自己的个人修养。如果大家认为这是简单的道德说教的话,不如换一个角度,这也是一种经营,与人方便自己方便。我们提的标准有两条,一是工具用毕放回原处,二是看到别人需要帮助的时候主动问一声。如果能主动经常做到这两条的人在其它方面也不会差,他能经常想到为别人着想,为集体着想,有非常好的合作氛围。而不是做完实验摆一摊,什么也不管。中国有句古话说,勿以恶小而为之,勿以善小而不为。不要以为我今天收拾了卫生,没人看见,白干,也不要以为今天出现了仪器操作失误,没人看见就不说。我们组就有这样一个例子,七八个同学使用电弧炉,那时候电弧炉是油扩散的,有两个阀门的开关顺序只要错一次,油就氧化的特别厉害,真空度就上不去。七八个人长期用,总有一段时间就发现真空度上不去。于是我就带领大家把电弧炉拆开,换油,同时给大家讲解原理,为什么那两个阀门顺序不能错。可是,总是过段时间就出现真空度上不去的问题,也没人承认,因为这事没有声响,你不说谁也看不见。那么就没人知道吗?后来学生一批批毕业,到某个同学毕业后这个问题就再也没有发生过,你说我不知道?他今后如果在我们这个圈里工作,总要和大家发生关系,也许在某个很重要的事情的时候,就在与这些人的一念之差,这时候大家忽然想起来你曾经有过这样一件事情,会认为你不可信,事情的发展就有可能朝向另外一个方向。所以我说与人方便自己方便,如果大家不觉得这是一种修养的话,就把它作为一种经营,无论如何在做人的方面大家要有所提高!
     我的讲话就到这里,谢谢大家!