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郑泉水

郑泉水教授现阶段的研究兴趣是“从0到1”的创新。他的研究成就和当前兴趣,按照开始的时间次序,主要包括四方面:1、张量和本构理论(1980)与人工智能底层技术(2017);2、结构超滑科学技术与颠覆性产品(2002);3、极端疏水科学技术与颠覆性产品(2003);4、工科拔尖创新型人才培养模式(2009)。

上述研究,获得了清华大学、国家自然科学基金委、国家科技部、国家教育部、深圳市政府、北京市政府、南昌大学以及美国唐仲英基金会等社会资本的资助或捐款。

1、本构方程张量函数表示理论体系和人工智能张量底层技术

主要成就:

本构方程是当代固体力学研究的核心难题,郑泉水在该领域的理论研究达到了少有的深度和完整性。于1994年独自创建的本构方程张量函数表示理论[1,2],是至今为止该领域被持续他引最多的文献,被该领域1970-90年代主要权威AJM Spencer评价“为各向异性材料的连续介质力学/物理的统一理性公式化指引了道路”,被四年一度的国际力学最高奖Hill奖获得者R. Ogden等用来建立了复合材料、多功能材料和生物组织等的50多种本构关系。建立的郑-杜模型[3],被Hill奖获得者高华健列为细观力学四个主要模型之一,被评价为“最精确的细观力学模型”。解决了非椭球夹杂Eshelby张量和Cauchy平均转动等长期没有解决的经典难题[4]。

《张量函数表示理论与材料本构方程不变性研究》项目,于2004年获得国家自然科学奖二等奖(第1获奖人)。

一方面,在郑泉水之前罕有高阶张量的研究;郑泉水上述研究成果中的一大特色,是对高阶张量的开创性、系统性研究。另一方面,最新兴起的人工智能研究尚缺共性数学基础;而高阶张量是人工智能技术中的普遍存在。

目前兴趣:

自2017年开始,郑泉水课题组开始与人工智能学界和企业合作,进行高阶张量理论应用于人工智能底层技术的探索。目前郑泉水带领团队将张量理论中的不可约分解与核磁共振技术相结合,提出了处理核磁共振成像中采样信号的新方法。利用张量数学体系开发出了高效的人工智能底层算法,并将其应用在医学图像处理等领域上。在数据处理方面,利用高维数据的稀疏性,使用张量分解算法,成功对高维数据进行低秩近似,为人工智能算法处理提供了便利;在人工智能神经网络中,利用张量场梯度等信息,对气管、血管等微结构进行特征表征,方便了后续神经网络的特征提取。

2、结构超滑科学技术研究与颠覆性产品研发

主要成就:

摩擦和磨损涉及力学、材料、物理、化学等基础学科和机械、能源、环境、医疗等应用领域,对经济和人类社会影响巨大。据统计,全球约30%的一次性能源浪费在摩擦过程中,80%的机械部件损坏来自于磨损(单此一项就导致工业化国家经济损失约占GDP的5%~7%)。对未来影响更大的是,摩擦磨损使得许多梦寐以求、潜力无限的高端技术无法实现。结构超滑技术的诞生,将为相关问题带来颠覆性的解决方案。

结构超滑(Structural Superlubricity)是指两个固体表面直接接触区摩擦和磨损近乎为零的一种状态,是范德华相互作用带来的一种独特性能。郑泉水开创了范德华纳米器件的理论和实验研究[5,6],于2012年在全球范围内率先发现了微米尺度的结构超滑现象[7],标志着结构超滑技术的诞生。随后,在国家和民间资金持续的大力支持下、汇聚了全球的顶尖研究者,使得团队在结构超滑技术领域一路世界领先[8-11]。申请获批了全球至今公开的几乎全部的结构超滑发明专利,为微机电技术和数据存储技术等中的若干重大技术瓶颈问题提供了革命性的解决方案。2018年,郑泉水等应Nature杂志邀请撰写发表该领域的未来发展趋势[11];2015、2017、2019年,郑泉水等主持召开了至今为止的历届国际超滑专题会议。《范德华层状介质的滑移行为和力学模型》项目于2017年获得国家自然科学奖二等奖(第1获奖人)。

2018年9月,郑泉水在清华大学、深圳市政府和深圳市坪山区政府的共同支持下,在深圳国家高新区两核之一的坪山区创办成立了全球第一个结构超滑研究机构——深圳清华大学研究院超滑技术研究所(以下简称“超滑所”)。同时,超滑所负责创建并全权管理运营深圳超滑技术平台。2019年9月,超滑所注册成立产业化公司深圳清力技术有限公司(FrictionX,简称“清力技术”),以此为依托建设发展将科技创新成果推向市场的各项能力。

建成的超滑所/清力技术以“‘零磨损’微密技术让科技更简洁”为使命,以“为客户解决传统技术瓶颈,成为结构超滑技术领导者和推广者”为愿景,以“为客户创造价值,与员工共同成长,求实创新,开放共赢,乐观坚韧,尊重互助”为核心价值观,依托深圳市“双区”优势,建设发展超滑技术全球创意和研发中心,助力深圳成为全球创新高地,成就改变世界的创新创业者。

目前兴趣:

超滑所/清力技术未来5年的主要研究方向,聚焦在创造和研发基于结构超滑体系的、满足重大国家需求或拥有巨大市场前景的革命性技术产品,如基于结构超滑的微机电系统(MEMS)、微纳发电机、电接触关键元器件、光学平台、精密轴承、微纳传感器、下一代存储技术等。这些产品将拥有极高的俘能或节能效率、极高品质、极高寿命和结构紧凑等特点。同时,超滑所负责的深圳市超滑技术试验平台已建设和发展成为全球领先的结构超滑加工平台。

超滑所/清力技术正处于快速发展时期,5年内将引进和打造总规模不少于50人的专业团队,涵盖基础研发、技术部、实验室管理、市场、知识产权、综合管理部门等各项职能领域(包含在北京清华或深圳的博士后)。欢迎认同超滑所愿景和使命,有志于通过结构超滑技术改变世界的青年俊才加入。

同时,郑泉水教授的清华大学团队将致力于结构超滑科学和方法体系的建立。

3、极端疏水科学技术研究

主要成就:

结构超滑的深层物理机制,源于范德华固体介质界面间的极低相互作用以及其界面的光滑。有没有可能在固-液界面间也形成极低的粘附呢?现实中我们常见的是,尽管风声呼呼,下雨天高速行驶汽车玻璃上的小水滴却很难被吹走;而在自然界,小水滴却不仅能在荷叶表面上滚来滚去,还能同时带走荷叶表面上的脏物,这是因为荷叶和水滴接触区固-液界面间存在着极低的粘附!这个所谓的“荷叶效应”,称作为超疏水(Superhydrophobicity),其机理的揭示是1997年人们首次观察到了荷叶表面的微纳结构,使得水滴仅仅能接触到很小比例的表面面积。

由于在能源、环境、生物、医疗、微流芯片等诸多重大领域有着极其广泛且重要的潜在应用,超疏水受到了广泛关注和大量研究。但遗憾的是,由于普遍存在的结构和湿润状态的不稳定性,使得超疏水真正走向大规模可靠的实际应用充满挑战。

郑泉水和合作者于2005年率先揭示了压力作用下材料表面微纳米尺度结构对湿润状态不稳定性的影响[12];首次实验发现对于特定的微纳米表面结构,超疏水湿润状态可以稳定存在[13],突破了人们的长久以来认为该稳定状态不存在的认识,并从原理上揭示了在实现极端接触角(指接近180°的接触角)、结构和湿润状态稳定性和固液界面输运等方面,表面微结构尺度都起到至关重要的作用[14,15]。

目前兴趣:

郑泉水课题组致力于实现可实际应用的极端疏水(指具有稳定的极端接触角的超疏水性)表面的力学机理和材料制备研究。2019年,郑泉水课题组发明了一种高耐磨超疏液材料制备方法,经研究表明这种超疏液材料具有很强的耐磨损和抗拉伸性,并且制备操作简单、高效、低成本和具有广泛的适用性,有望大规模应用于工业化生产。在具有稳定超疏水性的材料制备工艺基础上,课题组开展了一系列超疏水表面的应用研究。近期主要关注超疏水材料在强化冷凝、高热流密度芯片冷却、以及在太阳能电池板表面自清洁等领域的应用。

这些研究,除获得了国家自然科学基金委长期资助,并与IBM、波音、Schlumberger,挪威科技大学NTNU、挪威Statoi,法国EDF、华为等国际公司合作。

4、拔尖创新型人才培养体系

郑泉水自2009年至今担任清华学堂人才培养计划钱学森力学班(简称“清华钱班”或“钱学森班”)创办首席教授。钱学森力学班以“发掘和培养有志于通过技术改变世界、造福人类的创新型人才,探索回答‘钱学森之问’”为使命。创办十余年来,作为入选国家“珠峰计划”(基础学科拔尖学生培养试验计划)的唯一工科基础班,钱班首创了以“进阶式研究学习体系”为牵引的“大工科”创新人才培养新模式——即“课程-研究-社群”(CRC)培养模式,实现了学生发现内心激情、知识自主构建、优秀师生互认、抓住重大机遇等创新成长必要因素的聚合,为当代中国的科技创新人才培养作出了富有突破性、引领性和可普及性的模式创新探索[16-20]。

针对“钱学森之问”深层次的“痛点”“顽症”而言,钱班十余年基本形成的培养模式给出了一个系统性解决之道,以颠覆式创新的思路建立了兼具“精深挑战”与“开放交叉”特色的课程体系,落实了进阶培养,帮助学生通过层层递进的研究训练实现精深学习和激发创潜能。在录取和评价学生方面,改革了单一招生方式,通过互联网、云技术等平台,强化大学中学合作,形成了拔尖创新人才培养与选拔的有效联动机制。同时推出五维招生测评系统(内生动力、开放性、勇气与坚毅力、智慧、领导力),优化了学生综合评价体系。

十余年间,钱学森班独创了以“学生-问题-导师”三要素聚变为核心的钱班模式,总结出的人才培养的方法论——通过研究激发学生内在激情,更好地个性化和创造性学习——取得了显著的成效,用最少的学分培养了一批极富创造力和创新潜质的前沿交叉人才,在国际上受到广泛认可,构建了对我国高等教育发展具有普遍意义的大工科创新型人才培养新模式。

目前,郑泉水基于清华钱班的理念和经验,筹办了深圳零一学院,希望通过一种面向社会开放的个性化拔尖创新人才“陪长”模式,建立起更加长期有效的创新人才选拔和培养机制,让更大范围、更多类型的孩子的潜能和创新天赋得到激发和绽放,为创新型国家建设蓄力。

作为学者和博士生导师,郑泉水长期鼓励研究生挑战难题、勇于开拓,所指导的博士生中有3人获得全国优秀博士学位论文。

郑泉水如下给出几篇论文[18,19,21]和钱班十周年庆文集 [20]序,较系统性地反映了他近期关于拔尖创新人才培养的一些思考:《论创新型工科的力学课程体系》[18]、 《“多维测评”招生:破解钱学森之问的最大挑战》[19] 、《从星星之火到燎原之势——拔尖创新人才培养的范式探索》[21]《序:十年寻心、任重道远》[20]。


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