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庆祝建会110周年·宁聚报国丨郭万林:以“赤子之心”攀登科研高峰

编者按


在中国共产党领导革命、建设、改革的百年辉煌历程中,留学人员发挥了重要作用。一批又一批海归人才回国服务、奋力创新,他们中不少人为中国经济社会发展起到了开拓者的作用。值此欧美同学会成立110周年之际,我会特别开设“庆祝建会110周年·宁聚报国”专栏,宣传南京海归留学报国的先进事迹,激发广大留学人员不忘初心,牢记使命,为奋力推进中国式现代化南京新实践贡献留学人员的智慧和力量。



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郭万林,南京欧美同学会会长、南京航空航天大学教授,国际前沿科学研究院院长,纳米科学研究所所长。2017年当选中国科学院院士。2019年获江苏省优秀共产党员称号和何梁何利基金科学与技术进步奖。长期从事飞机结构三维损伤容限和低维功能材料力电磁耦合和流固耦合的力学理论和关键技术研究,建立了三维弹塑性断裂理论和飞机结构三维损伤容限设计方法,构建了低维纳米材料结构力-电-热-磁耦合的物理力学理论体系,发现了一系列纳米材料的智能特性和能量转化新原理,拓展了动电理论,提出了水伏效应的概念,创立水伏学。获国家自然科学二等奖、徐芝纶力学奖和全国优秀科技工作者称号。

“科学没有国界,但科学家有自己的祖国”。在每周的学术组会上,中国科学院院士、南京航空航天大学航空学院纳米科学研究所所长郭万林最常跟师生们讨论的,就是“原始创新”、“核心技术”。


人物事迹


家国情怀,是一种传承

1981年,郭万林进入西北工业大学学习,遇到了他的学术导师和人生楷模——我国航空事业的奠基人之一的黄玉珊先生,成为黄先生的关门弟子。黄玉珊先生14岁考入中央大学, 23岁就获得美国斯坦福大学的博士学位。1940年,黄玉珊先生获得博士学位后毅然回到了战火纷飞的祖国,担任中央大学教授。那时的中国正处在抗战最艰苦的年代,这是一种怎样的情怀让一个风华正茂、意气风发的留洋博士义无反顾地回到连首都都沦陷的祖国!黄玉珊先生一生航空报国的爱国情怀像一粒种子,在郭万林心中默默地扎下了根。

 20世纪80年代,正是国际航空界把断裂力学用于飞机结构损伤容限设计的黄金年代,黄玉珊先生为了促进损伤容限设计在我国航空界的应用,在西北工业大学专门成立了飞机结构强度研究所。

在导师的引导和鼓励下,博士期间郭万林选择并攻克了三维疲劳断裂理论这一世界难题,毕业后以特邀专家的身份受邀到澳大利亚莫纳什大学和澳大利亚国防科学技术组织专家中心工作,帮助解决某型飞机的疲劳开裂问题,把西方国家使用的二维疲劳断裂分析方法和软件发展到解决三维结构问题,研究成果收入澳大利亚国防科学技术组织的DSTO报告和美国NASA报告等。

在澳工作期间,郭万林申请的国家自然科学基金委杰出青年基金获得批准,便携家人回国。在以后的教学中,郭万林也特别注重对学生品行的要求和精神的传承教育。

作为一名科研工作者,一路走来,郭万林深深地感到,只有把自己的工作和国家的需求紧紧联系在一起,自己的工作才有价值,自己的人生才有意义。


不畏难题,迎难而上

郭万林进大学不久,系主任带领新生第一次参观实验室。正当大家对一款大型试验机惊叹不已时,系主任取下上面一根铁丝拿到同学们面前,说力气再大的小伙子也扯不断,但是给个力气小的女孩反复折它,就能折断。也就是说,航空材料光有强度不够,还得有抗疲劳性能。这就是郭万林第一次接触到的“疲劳断裂”概念。

飞机结构裂纹的演化和扩展关乎飞机的安全,国际上从20世纪70年代开始了损伤容限研究和设计。当时,国内的损伤容限设计刚刚起步。郭万林仔细研究能够获得的研究报告发现,仅仅厚度不同,含裂纹试样的承载能力就有几倍的变化,裂纹疲劳扩展寿命的变化则高达数倍至上百倍。当时,国际上飞机结构材料疲劳断裂性能的试验标准、抗疲劳断裂分析和设计方法,都是建立在简化的一维、二维问题的理论基础之上。使用这些理论和方法,无法解释上述厚度效应,更不能从实验室的材料性能数据预测实际三维飞机结构的疲劳断裂性能,不得不依靠大量的积木式的各级试验进行设计。认识到这种情况,郭万林选定了三维疲劳断裂为研究对象。他经过深入研究,发现过去无法求解的三维弹塑性裂纹问题,可以利用离面应力约束因子的有限特性和裂纹端部场的奇异性分析,化解为可解的问题,这就是后来被国际上称为“郭因子”的三维约束参数的有限特性,这让他在国际上率先获得了对三维弹塑性裂纹问题的理论解。

在理论突破的基础上,郭万林带领他的团队建立起一整套飞机结构抗疲劳断裂设计方法,用于多种飞机型号的设计,并经受了我国自主设计制造的先进飞机型号的全机疲劳断裂试验的考核。用三维疲劳断裂的评估结果与其后完成的全机试验结果完全一致,受到飞机研制方的充分肯定,被称为是该领域的重大技术创新。

经过二十多年的不懈努力,郭万林和他的团队系统攻克了飞机结构三维损伤容限关键技术,成果入编一系列行业手册,并已用于多个航空型号和国家重大工程,为我国研制损伤容限时代的先进飞机研制起到重要作用。


做有原创性的基础研究

郭万林不仅与“三维断裂”结缘二十多年,还一脚踏进微观世界,在纳米科技领域做出了不凡的成绩。1999年,郭万林受聘为国家特聘教授,到南京航空航天大学开展交叉学科前沿及其在未来空天技术中的应用研究,开辟了纳尺度物理力学和纳智能材料器件研究的新领域,创建了南京航空航天大学纳米科学研究所和纳智能材料器件部级重点实验室并任所长和实验室主任。

经过十几年在纳米科技领域的持续研究,郭万林和他的团队在纳智能系统,纳器件原理设计和能量转换、能量耗散、驱动原理等多尺度、跨尺度物理力学研究方面做出一系列创新工作。提出了低维体系局域场和外场耦合的概念,构建了低维材料结构力—电—磁—热耦合的物理力学理论体系,发现了流—电耦合新效应和流体传感新方法,提出了自上而下制造亚纳米结构的新途径。部分成果获 2011年国家自然科学一等奖和 2012年国家自然科学二等奖。近年来,郭万林团队又在水伏科学这个流—电耦合前沿科学领域不断取得重要进展。他们首次发现,并可靠、稳定地实现了大气环境下水的自然蒸发在廉价碳纳米材料薄膜中产生持续的伏级电压或输出直流电流,数平方厘米的薄膜产生的电能已经能够直接驱动液晶显示器。由于水的蒸发无处不在,不受天气、时空的影响,而且可以结合风能、太阳能提高蒸发生电的通量。利用水伏效应不仅可以发电,水蒸发还能同时降温并产生纯净的蒸馏水,是一种能够以零碳排放同时解决电能需求、地球变暖挑战和可饮用水缺乏等人类重大问题的全新途径,一旦取得突破,具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。

“科研问题是永无止境的,全世界没解决的难题,我们能否去解决,能否最先解决?”郭万林表示,做科研只有第一,没有第二,一定要做原创性研究。


教书育人、因材施教

“在大学不仅仅是学习知识、解决问题,更重要的是要掌握学习知识的能力,能够提出实质性的问题,这样才能成长为具有国际竞争力的人才。”郭万林说,作为导师,自己必须不断地学习,因为你培养的学生是面向未来的。一个好老师,不仅仅是爱学生,跟他交朋友,好导师是有使命的,你不是把他引向自己走过的路,而是引向未来的路。

郭万林对自己选定和招收的每一个学生都亲自细心指导,给他们出的题目也都是具有一定前瞻性的问题或国际上未解的问题,尽量使学生从一开始就感受到探索未知的滋味、尽可能开阔他们的科学视野。在此过程中充分了解洞察他们的天分、长处,以便给他们制定研究生阶段的培养方向和目标。从教以来,郭万林培养了30名硕士和58名博士,郭万林也获得“学生最喜爱的导师”、“江苏省十佳研究生导师”等称号。


来源:江苏省科学传播中心(有改动)

来源:江苏省科学传播中心 发表时间: 2023年08月21日

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