欲得百煉鋼 亦需繞指柔

倪海波

提起固體力學，許多人會不假思索地聯系到鋼鐵、合金等堅硬的功能材料，或是飛機、火箭等堅固的大國重器——事實上，正是過去幾十年基礎建設及國防工業的巨大需求，促進了固體力學的蓬勃發展。近年來，隨著化學工業、生物醫學技術的飛速發展，關于軟材料、柔性結構的研究也日漸成為固體力學領域的研究重點。

其實軟材料與我們的日常生活息息相關，幾乎隨處可見——吃的食物，穿的衣服，寫作時用的橡皮，出行時車的輪胎等。但這樣一種隨處可見、看起來再普通不過的物質，卻是力學、物理、化學、生物等學科里一個經久不衰的研究課題：正如軟物質物理之父德熱那的那句名言所說，“軟物質里有硬科學”。軟物質因其可以承受大變形而不致失效的特點及自身的強非線性效應，導致它目前仍有許多待解決的基礎問題;與此同時，各行各業尤其是醫療領域的巨大需求又對新型軟材料的性能和功能提出了很高的要求。為此，北京大學工學院力學與工程科學系特聘研究員毛晟，致力于從基礎研究的角度，探究軟材料獨特行為的本質，并面向國家在醫療領域的重大需求，為設計高性能、多功能軟材料這一目標貢獻自己的力量。

昨夜西風凋碧樹

剛剛踏上科研征程的毛晟其實從事的研究課題與軟物質并不直接相關。2011年，他來到位于美國費城的賓夕法尼亞大學攻讀應用力學的博士學位。當時，他從事的研究課題是撓曲電（flexoelectricity）。就在一年前，普林斯頓大學的一個課題組在實驗室中發現，在不改變應變的情況下，通過調節應變梯度，納米材料的力電轉換響應可以得到非常大的提升。這個課題組恰好找到了賓夕法尼亞大學的應用力學系，雙方一拍即合，開展了緊密合作。毛晟承擔的就是對于撓曲電現象基礎力學理論的研究，而普林斯頓的課題組則致力于實驗方面的研究。

萬事開頭難，初來乍到的毛晟時常感到不知所措，當時，毛晟并沒有被要求立刻開始具體的科研項目，而是被鼓勵多去上課，尤其是不同科目的基礎課。賓夕法尼亞大學的應用力學系歷來以重視基礎理論的教學傳統而聞名，并且有斷裂力學、塑性力學、復合材料力學等各力學領域的國際知名教授，他們不僅開設課程，還會有日常的討論班、研討會、講座。在攻讀博士研究生的頭兩年，毛晟如饑似渴地汲取著相關知識，其中讓他印象最深刻的莫過于連續介質力學這門課。這門課的老師是一位非常嚴厲的老師，與許多其他老師不同，上他的課幾乎不允許提問，更不能開小差，因為錯過一句話可能接下來的內容就完全聽不懂了。“上課的時候除了做筆記幾乎沒有時間做任何其他的事情”，毛晟現在回憶起這門課來仍然是心有余悸。“但是在學完這門課之后，我發現在研究時無時無刻不在用到其中的知識。尤其是那些當時看起來好像‘沒什么用的知識，它們往往能帶來意外的驚喜。”毛晟說道。

例如，在博士三年級的時候，有一次普林斯頓大學的合作課題組發現了一個傳統理論無法解釋的現象，毛晟絞盡腦汁也無法得到一個自洽的模型。很湊巧地，有一天，毛晟在研討班里偶然看到了一篇理論文章，雖然文章中所研究的體系與撓曲電相距甚遠，但經過推導，他馬上反應過來文章中的理論可以用來解釋實驗。通過與合作者討論以及反復推敲實驗方案，毛晟最后證實這個理論的確可以完美地解釋實驗中所觀測的現象。這項研究得到了同行的廣泛認可，并入選了2015年Extreme Mechanics Letter雜志的年度最佳科研之一。

衣帶漸寬終不悔

在經過5年的科研訓練之后，毛晟在機緣巧合之下來到了普林斯頓大學開展博士后的研究工作。也正是從那時起，他開始與軟物質力學結緣。與賓夕法尼亞大學相比，普林斯頓大學對基礎理論研究的重視程度有過之而無不及。地處相對孤立的小鎮，遠離都市的喧囂，普林斯頓大學的研究氛圍在美國是數一數二的純粹與濃厚;再加上各個科系之間距離非常近，這里便成了跨學科研究的理想之地。

與軟物質結緣也是出于一次巧合，有一天，毛晟偶然看到室友在實驗中拍到的照片，他們立刻意識到照片中反映的問題可以與軟材料力學里經典的表面失穩問題聯系起來。于是兩人一拍即合，通過兩年的研究，揭示了霍亂菌菌膜在基底上生長的時候是如何通過表面摩擦力以及力學失穩效應來調控自身形態的原理。事實上，表面失穩也是許多其他生物體力學調控的重要機制，毛晟還通過與生物醫學工程系的課題組合作，揭示了平滑肌對于肺氣管發育的重要意義：如果平滑肌發育受到抑制，那么肺氣管將由于表面失穩而無法在特定位置進行分叉，進而影響肺氣管的進一步發育。

除此之外，毛晟還著重研究了軟物質系統中的多相分離問題。“當多組分的混合物之間存在相互排斥的組分時，這些組分就會自發地分離成各自獨立的相，例如油和水，”毛晟解釋道，“而我們想探究的是組分數目的多少及環境對相分離行為的影響。”為了研究這個問題，毛晟首先建立了一套用以描述任意組分相分離系統的物理模型，系統性地研究了組分數量對于相分離系統熱力學和動力學的影響;其次基于上述物理模型，輔以大規模數值計算，建立了一套基于圖論的設計方法，這個方法可以準確地預測最終分離相的幾何形態;最后，在這兩項研究的基礎之上，毛晟將相分離過程推廣到一般介質中，揭示了浸潤性、彈性模量及表面張力是如何調控相分離系統的動力學的原理。“這項研究雖然主要是被生物學驅動的，但本質卻是一個物理和力學問題，通過系統性的研究，我們希望從不同的角度回答生物學上相關的難點問題”，說到這的時候，毛晟對于此項研究的激動之情溢于言表，“但是出乎意料的是，經過繁復的建模、數值仿真和推演之后，我們發現用于描述該系統復雜行為的規律竟是如此簡潔。”

眾里尋他千百度

2020年，結束在普林斯頓博士后工作的毛晟回國進入北京大學擔任特聘研究員，回到了他熟悉的燕園——13年前，他曾抱著一本《初入燕園》來到這里求學。對于毛晟來說，4年本科學習讓他印象最深的就是老師們對于學術的嚴格要求，雖然曾經吃過苦頭，“可是回過頭來看，也正是在這里打下的堅實基礎，讓我在日后的科研工作中受益匪淺”。除了知識之外，科研基本素養的培養也是很重要的一方面，“當時老師會在課堂上提一些與研究有關的問題讓我們課后去思考，但并不會給我們答案，其目的就是引導我們的思維”。這種教學氛圍，不僅為毛晟的研究生涯打下了堅實的基礎，也塑造了他的精神家園。

如今，距離毛晟離開北京大學前往國外求學已經過去10年了，當他再回來的時候，很多場景依舊是他記憶中的樣子：“老師依舊那么嚴格，學術氛圍依舊那么濃厚，學生們的求知欲依舊那么旺盛。”當然，如今的北京大學也比10年前多了許多的變化。“最明顯的是硬件方面的提高：新食堂、新宿舍，更重要的是宿舍里都已經裝上空調了，”對此，他笑談道，“以前我們夏天在學校時，有時候干脆睡在實驗室，這樣會涼快一些。”

多年的求學和科研經歷讓毛晟非常清楚交流對于推進項目研究的重要性，因此回國后，他積極參與北京軟物質科學與工程論壇及全國力學博士生論壇的組織工作。與一般的學術會議不同的是，通過這類論壇，許多剛接觸科研的博士研究生得以展示自己的工作，在毛晟看來，這是鍛煉他們表達能力的難得的好機會，“我希望他們在表達時能夠盡量將復雜的研究內容盡可能用大多數人能聽得懂的方式表達出來”，而這樣的表達能力，其實是建立在對自己工作內容的清晰理解的基礎之上的。

而今邁步從頭越

如今，在經歷了5年研究生和4年博士后的訓練后，毛晟將繼續圍繞軟物質的力學理論與計算方法展開他的研究。主要研究內容包括以軟物質為基礎的撓曲電現象的基礎力學理論及其計算方法、軟材料的力學失穩、軟材料的斷裂力學理論等。他說，這些方向不僅是軟物質力學領域的基礎問題，也與眾多工程應用有直接的聯系，具有十分重要的應用意義。

毛晟認為，正是因為他的研究方向可以同時與基礎研究和實際應用緊密聯系，因此才賦予了其研究成果千千萬萬種可能性。“我既可以通過研究揭示某些現象的機理機制，也可以將其和人們的實際生活結合起來，解決社會需求問題。”因此，他計劃未來結合自身優勢與學科背景，將具體科研工作主要集中在軟材料及柔性結構的撓曲電問題和軟物質的多尺度計算方法兩個方面。

在關于軟材料及柔性結構的撓曲電現象的研究中，傳統的撓曲電研究主要集中在如鈣鈦礦等“硬”材料中，而“軟”材料因其撓曲電系數較小，一度被認為應用前景十分受限。近期的研究表明，利用一些特定的軟材料系統可以有效放大撓曲電的力電耦合效應，甚至可以按照需求調節其等效撓曲電系數。這類“軟”材料/結構相對于傳統的“硬”材料，更加輕質、可以承載更大的變形，因而可以被用于柔性傳感器、柔性能量采集器等下一代電子器件的制造中。不僅如此，一些具有柔性微觀結構的材料也被證明具有特殊的撓曲電性質。這些工作進一步拓展了撓曲電的應用前景，可以預見在未來數年內，柔性撓曲電將是一個重要的研究方向。為此，毛晟計劃從宏觀和微觀兩個角度開展研究工作：在宏觀上，提出適用于大變形的通用撓曲電計算方法，并基于此針對結構優化及力學失穩等問題進行系統性研究;在微觀上，主要針對二維材料等具有特殊結構的材料，對其獨特的撓曲電及其他力電耦合性質進行深入的研究。

而在關于軟物質的多尺度計算方法的研究方面，毛晟認為，軟物質因其大變形、非線性本構關系及多場耦合等特征，力學行為十分復雜。也正是因其復雜性，軟物質的許多力學行為大都處于尚未被探索的狀態。研究軟物質的基礎力學行為，就離不開多尺度計算方法。從微觀層面講，他認為通過結合與發展現有的、適用于不同問題的模型，才能夠參透軟物質的微觀運行機理;同時可以通過微觀機理得到宏觀的力學模型，并在此基礎之上發展高精度、高可信度的宏觀計算方法，最終服務于新型的工業及生物醫學技術。與此同時，蓬勃發展的計算機科學技術及人工智能技術也給軟物質力學的多尺度計算方法帶來了廣闊的發展空間和新的發展思路。因此，毛晟計劃在未來數年內，在多尺度方法的框架下，開發適用于多物理場耦合的新型數值模擬方法，并基于多物理場模型探索可應用于微納制造的創新技術。

在毛晟看來，目前我國的基礎研究正逐步呈現出蓬勃發展的態勢。但同時，他也敏銳地看到了當下我國在成果轉化方面的需求。“在某些方面，實現研究成果轉化相比純粹的基礎研究更加復雜，中間也有更多的細節問題需要我們解決。”而毛晟接下來要做的，就是結合多年來在基礎研究領域的成果，加入到研究成果轉化的浪潮中，推動潮流的發展。