踏實科研 智慧育人

 

——記上海大學化學系研究員嚴六明

2015-01-13

 

“我只是一名再普通不過的教授”，上海大學化學系研究員、博士生導師嚴六明在接受本刊記者采訪前多有猶豫，“但后來考慮到大學的正常運轉，離不開我們這些普通教授，本科生、研究生平時面對的也都是這些普通教授。能夠讓他們了解教授們的工作、生活以及對一些重要問題的看法，或許對他們會有所幫助。”基于這樣的考慮，他最終決定分享自己在學習、科研和教學方面的心得。

如果要加以總結，下面的八個字或許是對嚴六明工作的最佳寫照：踏實科研，智慧育人。

嚴六明的成長之路也正是這個時代大學教授的縮影，名校畢業、國外深造，繼而回國任教。1986年從北京大學化學系畢業后，他先是進入浙江農業大學做了兩年助教。之后在武漢工業大學北京研究生部、中國科學院上海冶金研究所攻讀碩士和博士學位，2003年去往美國南卡羅來納大學進行博士后研究，后在美國德克薩斯A&M大學任職。

在美國工作、生活了將近4年的時間之后，嚴六明回國到上海大學任教。作為一名計算化學家，他目前的主要研究集中于材料設計領域，特別是用于燃料電池的質子交換膜中質子和中性小分子在電場下的遷移及其機制、質子交換膜的設計與制備等。

嚴六明2007年入選上海市浦江人才計劃，目前已主持國家自然科學基金3項，申請發明專利9項，出版專著1部，在國內外重要刊物發表論文70余篇。其在分子模擬和研究質子交換膜等方面的工作獲得國內外同行專家的好評。

“認命”搞化學

與書香門第出身的大科學家們不同，土生土長在浙江農村的嚴六明，初中是在自己村辦小學的附屬中學上的。

“上海交大有附中，上海大學有附中，我們村小學也辦了附中。”說到這里，嚴六明自己也樂了。小學的老師到初中教他們，化學老師用的是教語文的方法：劃分段落、概括大意——其實老師自己就沒學過化學。

兩年之后嚴六明升到鄉初中讀初三，個子小小的他坐在第一排，上第一堂化學課就被老師批評了。

“老師說，書這么干凈，一看就沒有好好學習。他上課講分子式、方程式，我完全聽不懂。”老師為聽不懂的同學專門開了小灶，放學后留校補課。

短短兩周的時間里，嚴六明愣是把自己兩年間落下的課程補完了。

但是，鄉初中的條件仍然十分有限，學校唯一的實驗儀器是一根試管——還是化學老師的大學同學送給他的。

“后來那根試管不知道怎么搞壞了，后面的同學也就看不到試管了。”嚴六明回憶道。

在這樣艱苦的學習條件下，初中畢業后，嚴六明仍然以優異的成績考入縣重點高中。由于，當時流傳“學好數理化，走遍天下都不怕”這句口號，數理化成為他專業的不二選擇——其中他最喜歡的是物理，是他高考時的第一志愿。

但命運冥冥之中跟他開了個玩笑——“但我物理考得不太好，化學考得出奇得好。”即便順利考取北京大學化學系，嚴六明仍然一心想著學物　　 理。

“后來考研究生我還想學物理，但是也沒考上。最后就認命了。”或許上帝跟他開了個玩笑，誤打誤撞之中，嚴六明與化學結下了不解之緣。之后一路讀完碩士、博士，走上了標準的科研道路。

破除對科學的過度崇拜

在改革開放后的出國熱潮中，嚴六明應邀前往南卡羅萊納大學做博士后，進行分子電子學方面的研究。

“摩爾定律是由英特爾創始人之一戈登•摩爾提出來的，內容是當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。”目前，這種趨勢已經持續了超過半個世紀，預計摩爾定律將持續到至少2015年或2020年。嚴六明解釋說道：“但是，里邊的電子線路越來越小，小到一定程度摩爾定律就失效了。失效了之后，微電子工業就不能繼續這樣蓬勃發展，會面臨瓶頸。”

基于這樣的理由，分子電子學應運而生。他們希望改變“自大到小”的傳統制造方式，改用單個分子、超分子或分子簇代替硅基半導體晶體管等固體電子學元件組裝邏輯電路，乃至組裝完整的分子計算機。

“我的老板（導師）在做分子電子學方面的計算，研究電子怎么遷移到分子里面，電阻是多少等問題。因此，我到美國最初就是計算電子在分子中的遷移。”嚴六明總結說。

談到在美國最大的收獲，嚴六明說除了專業上的積累之外，最重要的是他開始破除了對于科學的過度崇拜。

“在國內大家都知道科學技術是第一生產力，宣傳學習的都是科研精英。我們覺得做科研就是要做這樣的尖端技術，才能為國家發展做出貢獻。但是我到了美國，開始覺得科學的力量是很小的，科學不能解決所有的社會問題、甚至不能解決科學本身的問題。事實上，科學只能解決實驗科學方法所能解決的問題。”

他同時也發現，自己曾經仰望的科學大家，其實就是個普通人。在南卡羅萊納工作時，系里請了一位諾貝爾化學獎得主來做報告。

“他自己坐飛機過來，系里也沒有派人去接他，自己在機場租個車就來了。沒有人把他當個角色。美國的教授也都是勤勤懇懇，生活說實話很枯燥，哪有什么吃喝玩樂。每天就是寫文章、寫申請報告、教學生，有空的時候跟學生聊聊。他們的樂趣就是一篇文章發表、一個學生畢業了，或者申請到一個基金，可以干新的活兒了。就這么點樂趣。”

這樣的文化顯然與中國千百年來“讀書做官”的傳統不同，“以前讀書人少，讀書可以出人頭地；現在讀書人多，不可能每個人都出人頭地”。

美國教會嚴六明最重要的事是——“我在美國工作后更踏實了，放棄了那些不切實際的追求。做科研就是每天踏踏實實、一點一滴地做唄。”

質子導電材料的設計

回國后他曾經想要繼續進行分子電子學方面的相關研究，卻被國內同行告知相較目前的科研水平，類似的研究過于超前。但嚴六明在物理和化學兩方面的積累卻慢慢顯現了優勢，理論化學也隨著計算機的高速發展受到越來越多的認可。

不少人一聽化學，就自動跟瓶瓶罐罐以及天天呆在實驗室畫上了等號。但其實用瓶瓶罐罐做實驗只是研究化學的一種方法。

“談到物理學，大家就會想到很多方程、很多數學方法，但其實物理當中也有很多實驗。化學的實驗多一點，理論少一點。現在化學領域出現了一種新的計算模擬的方法，通過計算機模擬分子的性質與運動、相互之間的作用，也就是計算化學。”

2013年諾貝爾化學獎的三位得主，正是因為創立了“多尺度復雜化學系統模型”而受獎。化學反應發生的速度堪比光速，剎那間電子就從一個原子跳到另一個原子。以前對化學反應的每個步驟進行追蹤幾乎是不可能完成的任務，但在多尺度模型的輔助下，計算機成為化學家們的“好幫手”，可以全面地揭示整個化學過程。如同諾貝爾化學獎評選委員會在聲明中闡述的一般——現在對化學家來說，計算機是同試管一樣重要的工具。

“以前出去說‘我做計算化學的’，大家會覺得‘哦，你就是算算而已’。現在一說，大家都覺得很了不起。”通過計算化學家的計算，可以大大縮短實驗的周期，降低研發成本。

新能源汽車作為目前世界各國積極探索的領域，正在受到越來越多的重視和支持。但充電時間長、電池壽命短的問題長期困擾著電動汽車的市場推廣。新能源汽車動力系統的第二種選擇是燃料電池，把氫氣轉化為電能，實現氫能經濟。

氫氣燃料電池技術，由于具有污染小、能量密度和轉化效率高的特點，被認為是21世紀最具前途的能源技術之一。在各種氫氣燃料電池技術中，中間溫度的高分子全氟磺酸質子交換膜燃料電池，在技術上最為成熟。但其價格、高溫性能和水熱管理目前嚴重影響著質子交換膜氫氣燃料電池的推廣使用。嚴六明目前正在從事的課題之一，就是如何改善燃料電池中質子交換膜的性能。

嚴六明解釋說：“溫度過高，由于水分蒸發過快而引起膜的導電性能的下降，嚴重影響燃料電池的性能。溫度過低，由于水的電滲遷移而導致陰極上有過多的水而淹沒催化劑，影響空氣向催化劑的擴散，使燃料電池不能長時間持續工作。”

針對這個問題，他帶領團隊研究水分子在質子交換膜中的遷移機制。他們引進了一種分子動力學模擬方法，利用水分子和水合氫離子的速度分布函數研究水的電滲遷移。該方法大大降低了模擬電場的強度，使電場作用在水合氫離子上的力遠低于水分子間的相互吸引力，克服了電場對模擬結果的影響。這些研究對科研人員充分認識質子交換膜中水等的遷移現象及其機理，改善質子交換膜的性能提供了理論依據。在研究不依賴于水的耐高溫質子交換膜時，他們還發現酸堿復合體系的質子電導率普遍高于單組分體系，具有協同效應。利用協同效應，可以通過復合的方法設計高性能質子交換膜，大大提高研發效率。

除此之外，嚴六明在分子器件的理論建模和模擬領域也取得了重要成績。在集成電路制造領域，隨著微電子元件的尺寸的不斷縮小，元件間的連線直徑也相應地不斷縮小，引起連線的寄生電阻及其電耗不斷增大。目前，散熱已成為制約高性能集成電路發展的一個重要因素。未來超高集成度的納米電路，可能根本無法承受電路本身所散發的熱量，因此，用電流傳輸信息這種模式或許將會徹底改變。

基于對生命體系中信息傳輸過程時化學物質之間的相互耦合和分離、分子構型的變化等事實的借鑒，嚴六明等提出了利用分子振動時構型的變化來傳輸信息的概念。他們利用計算機模擬的方法成功實現了概念的證明，并且顯示，利用調制和解調技術可以將數字信號在分子上傳輸20nm以上。該概念及其相關的模擬結果最早發表在2005年10月份的Proceedings of IEEE的Blue Sky專輯上。美國IEEE學會的重要刊物IEEE-USA Today’s Engineering將該研究方向評選為未來科技研究的重要方向。

赤誠育人

除了科研工作之外，教書育人占據了嚴六明的另外大部分時間。他自己的兒子現在也是一名大學生，促使他對于當代的大學教育進行了更多的換位思考。

“剛開始教書時總根據自己上學時的體會來教學生、要求學生”。通過換位思考，嚴六明認識到：“現在這個時代，大學生知道的信息不比教授少，不知道的東西百度一下也就有了。”與很多人說現在的大學生基礎差、不好教的觀點不同，嚴六明認為現在的大學生知道的信息更多，知識面更廣。他們的缺點是“缺乏判斷和選擇能力，難以在不同目標之間進行取舍，不知道知識不等于能力，更不等于智慧。”因此，嚴六明把教學的重點，不是放在傳授知識方面，而是放在培養學生的選擇判斷能力、解決實際問題的能力，以及幫助學生積累智慧等方面。

在教學方法上，嚴六明更重視方式。“怎么教好這些孩子，最重要的是要在適當的時候，由適當的人說適當的話。你天天說他們哪里聽得進去。”不管是對自己的兒子還是學生，嚴六明都會煞費苦心地請他們的同齡人或者年紀稍長一點的人來說一些話。“中國人老說貴人指點，其實貴人不一定是偉大的人。這些人說的話他聽進去了，就都是貴人。”

越來越多的大學生意味著就業時愈發激烈的競爭，化學系的畢業生如果不走科研道路的話，許多學生用不上本專業的知識。教學生的時候，嚴六明希望能夠培養學生獨立思考、發現解決問題的能力，希望能夠對化學之外的專業同樣有幫助；而學生們往往希望老師簡單地講講題目、畫畫重點就好了。

“我只能盡最大努力幫助他們。有的研究生說老師不教具體的知識和技能，但其實我最重視的是他能力的成長，督促他、啟發他、等他，讓他自己發現解決問題的方法。而不是我去教他解決問題的方法。”

為人師者的赤誠之心可見一斑。嚴六明或許只是當下中國普通的大學教授，但正是這些普通的科研工作者構成了我們的基礎科研和教育力量。踏實科研、智慧育人，他們或許平凡，但絕不平庸。

      來源：科學中國人 2015年第1期