■秦晉 楊艦

王崇愚（1932年—）

王崇愚，滿族，1932年生，籍貫北京。計算凝聚態(tài)物理與材料電子結構專家，中國科學院院士，清華大學物理系教授，中國材料研究學會計算材料學分會顧問委員，曾任第八、第九屆全國政協(xié)委員。1954年自北京鋼鐵工業(yè)學院（今北京科技大學）畢業(yè)后進入原重工業(yè)部鋼鐵工業(yè)試驗所（今鋼鐵研究總院）工作。1958年起從事軍工材料的研制工作，研究成果獲全國科學大會獎、兩項國家發(fā)明獎三等獎及一項冶金部科技進步獎一等獎。20世紀80年代起逐步轉向材料電子結構與材料組分設計的基礎性研究。1993年當選為中國科學院院士，1999年工作調動至清華大學物理系。2011年以來參與中國“材料基因組計劃”的咨詢建議與實施工作。2017年開始承擔科技部材料基因組國家重點專項“高通量并發(fā)式材料計算算法和軟件”以及云南省材料基因工程重大項目“稀貴金屬合金高通量計算及材料設計與物性關聯研究”的科研工作。

 

輾轉求學 走進鋼鐵研究

1932年10月12日，王崇愚出生于安東（今遼寧丹東）的一個知識分子家庭，父親王椿年和母親高書珍都曾受過師范教育。此時，東北全境已經淪陷，不堪日偽統(tǒng)治的一家三人在1934年輾轉到了北平。在之后短短的五年間，王崇愚接連失去了母親、外祖父母和祖母四位至親，尤其是1936年的夏天，年僅26歲的母親因病過早地離開了這個世界，留給了王崇愚無限思念。“七七事變”爆發(fā)后北平淪陷，為避戰(zhàn)火，王家不得已遷往河北灤縣生活。對一個四五歲的孩子來說，幼年喪母給他帶來了人生最大的缺憾，他渴望母愛和安定的生活。

1937年王崇愚進入灤縣小學學習，并在1942年考入灤縣中學，不久轉入開灤中學。初二那年父親的來信他至今記憶尤深，信中談起了母親在世時望兒子讀書成人的殷切期待，要他對得起黃泉之下的母親。雖然與母親共同生活的時光是短暫的，但母親仍是王崇愚心中的至親至尊，他決心絕不能辜負母親的期望。

從1937年到1949年時局動蕩，王崇愚也隨家人在灤縣、北平、沈陽等幾地間輾轉，先后在四所中學就讀，1949年回到北平，轉入北平市立第四中學（今北京四中）。早在初二學習小代數時，他就對數學產生了濃厚的興趣，來到四中后，物理老師張子鍔、化學老師劉伯忠和數學老師馬文元、王景鶴等諸多名師知識廣博、經驗豐富，而且循循善誘，注重培養(yǎng)學生自己的思考能力，令他更是受益終身，帶給他的不僅是豐富的知識更是對探索科學的濃厚興趣。

中華人民共和國的成立更讓王崇愚感受到了新舊兩個時代的巨大變化，和那個時代的諸多同齡人一樣，他滿懷激情地投入到了中華人民共和國的建設之中。1950年高中畢業(yè)后，他考入了北洋大學。

1952年4月因“高校院系”調整成立了北京鋼鐵學院（今北京科技大學），1952年至1953年夏隸屬于清華大學，王崇愚因此轉入清華學習，直至1953年秋季北京鋼鐵工業(yè)學院正式建校。大學時代，柯俊老師講授的“金屬物理”、方正知老師的“X射線學”、張守華老師的“材料學”、徐祖耀老師的“金相學”、劉叔儀老師的“機械冶金學”以及韓德剛老師的“物理化學”等課程，指引著王崇愚走上了金屬材料研究之路。特別是老師們展示的金屬微觀領域中的前瞻性研究，更是激發(fā)了他對研究金屬學深層問題的興趣。1954年6月，王崇愚自鋼鐵工業(yè)學院金屬學專業(yè)畢業(yè)，被分配到重工業(yè)部鋼鐵工業(yè)試驗所X射線實驗室工作。這所1952年成立的單位是新中國第一個全國性鋼鐵科學研究機構，當時主要擔負鋼鐵材料、冶金、耐火材料、煤焦的研制、試驗及相關分析等工作。

 

服務軍工 探索含氧機制

1958年，鋼鐵工業(yè)試驗所擴建為鋼鐵研究院，隸屬于冶金工業(yè)部。為滿足現代國防尖端技術，尤其是電子技術和儀器儀表工業(yè)中對具有特殊物理性能的功能材料的需求，院內設立了精密合金研究室（對外稱第二研究室），研究院和二室負責人戴禮智、柯成等抽調多學科人才建室，有金屬物理工作背景的王崇愚由此調到二室工作，開始從事鎳鐵基軟磁合金（Permalloy）的研究，這種材料的特點是在弱磁場下能獲得很高的磁感應強度，是自動控制、電子通信、計算機技術等高科技領域中的基礎性、關鍵性材料。

1959年，通過文獻了解到美國研制出最大磁導率為178萬高斯/奧斯特的高導磁合金后，鋼研院提出國產高導磁合金研究課題，由王崇愚為專題負責人。1960年“五一獻禮”時，王崇愚小組研制的產品最大磁導率超過了國際同類產品，贏得了“磁王”美譽。此時“兩彈一星”工程正處于全面展開階段，王崇愚研究組因此接受來自國防部第五研究院的軍工任務，為導彈控制系統(tǒng)研制高導磁材料。在實驗和分析的過程中，王崇愚與合作者發(fā)現合金中微量的氧控制著材料的導磁特性，而之前氧元素一般被視為合金中的雜質。為此。專題組中的冶煉專家韓俊德設計了獨具特色的“充氧工藝”，采取控制合金中氧含量的工藝措施，在幾類磁性合金中成功應用，使產品最大磁導率和恒磁導率都滿足了軍工需要，應用于國產“東風”系列導彈。與此同時，王崇愚研究組開展了探索微量氧作用機制的研究，在1962年根據X射線實驗以及相應的結晶狀態(tài)分析，形成了“氧進入合金引起畸變，誘發(fā)過?？瘴?/span>，導致加速擴散，促進二次再結晶，從而得到優(yōu)異磁性”的初步理論思想。

行之有效的經驗和持之以恒的探索使得王崇愚研究組在1970年至1980年成功將“含氧”這一成果進行了推廣，研制出一系列合金材料，先后應用于人造地球衛(wèi)星發(fā)射、殲—8飛機、高能回旋加速器等國家重點工程，1978年“高導磁軟磁合金”獲全國科學大會獎，1983年“含氧軟磁合金”獲國家發(fā)明獎三等獎。

在“718工程”相關任務中，王崇愚小組發(fā)現合金原子有序性對合金性能的重要作用，從而找到了控制材料磁導率溫度特性的關鍵因素，成功研制具有國際先進特性的“特殊溫度系數高導磁合金”，由此研制成深?，F場鹽度計探頭應用于洲際導彈發(fā)射試驗、南極科學考察、中美聯合西太平洋考察等一系列遠航和科考任務，受到國家海洋局和海軍相關單位的表彰。為此，1988年王崇愚研究組再獲一項國家發(fā)明獎三等獎。1993年，為表彰王崇愚30年來為軍工材料研制工作作出的貢獻，冶金工業(yè)部為他頒發(fā)了從事軍工突出貢獻獎章及獎狀。

 

1950年至1980年，這三十年間王崇愚和他的同事們埋頭苦干，忘我投入，把國家需要放在第一位，并以優(yōu)異的成績回報祖國。這份矢志為國的赤誠之心貫穿了王崇愚的整個學術人生。

 

潛心求索

發(fā)展計算材料學與多尺度科學

在投入軍工工作的同時，王崇愚在不斷學習、不斷積累和不斷探索。從1961年到1966年，他早起自清晨6點開始，趕在8點上班前進修中國電視大學數學系數學理論課程。“文化大革命”期間，有人質疑王崇愚“用‘學科帶任務’壓‘任務帶學科’”，批他“熱衷基礎性研究，沒把應用性研究的任務放在第一位”。好在上級領導惜才愛才，且中央指示對從事重要任務且踏實勤奮者可予以“保護”，因此王崇愚以在全院作一次有深刻認識的“匯報”，即作結論。

“文革”結束后，“科學的春天”再次到來，1979年4月冶金工業(yè)部推薦王崇愚到北京科學會堂聽物理學家李政道講授的“統(tǒng)計力學”課程；7月中國電子學會派遣他赴美國參加在紐約舉辦的“國際應用磁學及磁學與磁性材料聯合會議”，王崇愚在大會材料組作了《磁性合金中氧氣作用機制的研究》的報告，后將論文發(fā)表于期刊IEEE Transactions on Magnetics第15卷第6期。

王崇愚意識到自己研究材料物理深刻性問題尚有知識局限性，特別是深深感到理解電子效應將成為自己發(fā)展學問的關鍵。因此，1979年秋天，他開始到北京大學理論物理專業(yè)班旁聽曾謹言教授的量子力學課程（120學時），同時在中國科技大學研究生院旁聽高級量子力學課程（100學時）以及電動力學、實變函數、數學物理方法（II）等專業(yè)課程，而在此期間他仍然擔負著多項軍工科研任務。

20世紀80年代初，王崇愚與北京大學理論物理學家劉福綏、清華大學固體物理學家顧秉林以及中國科技大學（合肥）物理學家鄭兆勃等學者結成研究小組，共同成功申請自然科學數理學部及材料學部一系列科研基金，這為他轉向計算材料學打下了良好基礎。

王崇愚對計算材料學的研究，源自于他在含氧合金研究中的一個問題——“為什么萬分之一量級的氧竟在材料里面起這么大的作用？”20世紀80年代初，他借助經典彈性理論及位錯理論基礎，提出了“氧—層錯復合體模型”。到20世紀80年代末，他已進入材料科學與固體理論的交叉領域，并將研究重點置于原子缺陷及結構缺陷復合體量子效應的研究主題，并逐步建立了缺陷復合體能量學計算體系，20世紀90年代和21世紀前10年他系統(tǒng)研究了化學摻雜及位錯、晶界等結構缺陷與材料物性相關的問題以及多尺度算法與應用，發(fā)表近200篇論文，合作出版3本學術專著（至今發(fā)表論文240余篇）。

20世紀80年代關于層錯缺陷電子結構與位錯理論結合電鏡實驗研究的探索以及特別的化學焠取和氣體分析實驗，證實含氧合金中存在原子狀態(tài)的氧，這令王崇愚更加專注于電子效應這一挑戰(zhàn)性問題。20世紀80年代中期起，他繼續(xù)探索微觀電子與宏觀物性相關性問題。1990年提出固體問題中材料多尺度建模及物性跨尺度關聯算法—多尺度物理參量解析傳遞算法，其中將電子效應引入于位錯運動之中，給出與宏觀物性相關的參量，求解位錯運動方程是其關鍵，這一算法在固體問題多尺度算法中具有開創(chuàng)性意義。其后他又提出了多尺度能量密度協(xié)同算法，用于處理原子尺度與介觀尺度的跨層次研究。1993年，王崇愚當選中國科學院學部委員（后稱科學院院士）。多尺度跨層次建模及算法研究得到了國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“973”計劃）的長期支持（連續(xù)3屆共15年）。2006年王崇愚將基礎研究與高端材料相結合，將高溫合金航空發(fā)動機合金定為計算研究目標材料。

20世紀90年代初期，鋼研總院工程師胡榮澤和王崇愚應美國西北大學物理系教授唐納德·埃利斯（Donald E.Eills）邀請赴美訪問交流，引入了由埃利斯創(chuàng)建的離散變分方法。1996年由王崇愚提議，在埃利斯和國內一批學者的支持下在國內成立了中國金屬學會離散變分分會。2006年，同樣在王崇愚和國內學者共同努力之下，中國材料研究學會正式設立計算材料學分會。這兩個學會為國內計算材料學的方法推廣和學術共同體建設作出了貢獻。

 

只爭朝夕 探索材料基因

2011年6月24日，美國政府在其“先進制造業(yè)伙伴關系”計劃中提出了“材料基因組計劃”，該計劃通過更新計算和實驗平臺、推動數據標準化和共享，建立起材料的成分—結構—功能之間關系的數據庫及相關模型等手段，力求在未來材料研發(fā)中根據性能需求找到設計材料的途徑，以縮短新材料研發(fā)周期。

20世紀80年代末期以來，王崇愚將較多思考和時間集中于基于量子力學多尺度算法發(fā)展及應用問題，關注于結構缺陷和化學元素效應與材料物性相關研究。美國“材料基因組計劃”提出后，我國科學家迅速跟進，2011年7月22日，時任中國工程院副院長干勇主持召開了“材料基因組計劃”兩院院士及專家座談會，工程院主席團名譽主席徐匡迪院士作了重要講話，王崇愚作了“材料基因組工程”概況的介紹，陳立泉、王鼎盛、黎樂民、朱靜、葉恒強、薛其坤、崔俊芝等院士積極參與。與會院士專家一致認為，“材料基因組計劃”是一個關系到材料行業(yè)以及整個制造業(yè)發(fā)展的重大項目，中國應抓住契機，盡快建立自己的材料基因組計劃，樹立實驗—計算—理論—數據科學相融合的物質科學研究新理念，變革研發(fā)模式，實行以多學科交叉—多尺度跨域—多軟件集成數據科學探索為核心的科學內涵，最終實現按需設計材料的目標。同年12月，79位國內著名院士、專家在北京香山飯店召開了以“材料科學系統(tǒng)工程（材料基因組計劃）”為主題的第S14次特別香山科學會議，王崇愚在會上作了題為《高溫高強合金與物性多尺度預測》的邀請報告。

2012年，中國科學院、中國工程院在其聯合設立的 “新材料產業(yè)與研發(fā)體系建設”重大咨詢項目中（組長為師昌緒院士），為了貫徹香山科學會議的精神，增設了“材料基因組計劃”課題，在咨詢報告中附上了王崇愚寫的《材料基因組計劃建議——加速發(fā)展先進材料面臨嚴峻挑戰(zhàn)和歷史機遇》（2012年6月9日）一文。當年12月中國工程院正式啟動“材料科學系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略”咨詢課題。

2013年3月，中國科學院啟動由王崇愚、南策文牽頭的“材料基因組”咨詢課題，至此，“材料基因組計劃”咨詢研究項目正式誕生。2014年5月，由20位院士、近百位咨詢專家組成的中國科學院咨詢專家組完成了《材料基因組計劃與高端制造業(yè)先進材料咨詢建議報告》，該報告由中國科學院作為正式文件呈送國務院。2015年中央批示，直接采納了中科院關于“材料基因組計劃”的建議。同年科技部設立了“材料基因工程關鍵技術和支持平臺”，并納入“十三五”國家重點研發(fā)項目，由科技部“材料基因組計劃”專家組組長謝建新院士積極推動這一計劃的實行。在各方面的大力支持下，中國“材料基因組計劃”迅速發(fā)展，一批與“材料基因工程”相關的科研機構也在上海、北京、廣東、云南等地陸續(xù)建立起來。

王崇愚深深地記得，在1995年5月召開的全國科學技術大會上，時任中科院院長周光召院士在報告中提到“按照人們的需要或意愿，設計并制造所需要的材料，很早就是夢寐以求的事”。王崇愚堅信，只要不斷探索和攀登，材料科學的研究一定會從必然王國走向自由王國。如今，王崇愚仍然忙碌于“材料基因組國家重點研發(fā)計劃”科研工作的第一線，為材料科學不懈努力著。

（作者單位：清華大學科學技術與社會研究中心）

 

①1954年王崇愚自北京鋼鐵工業(yè)學院畢業(yè)時與老師、同學留影。前排左四為柯俊，第二排左三為方正知，左四為徐祖耀，第三排左二為王崇愚。

 

②鋼鐵研究院北區(qū)試驗樓，建成于1962年，王崇愚工作的精密合金研究室曾設置在此。

 

③2013年3月14日，王崇愚在中國科學院學部“材料基因組”咨詢項目啟動會上發(fā)言。

 

④王崇愚首次接受采集訪談后留影。左起分別為：王崇愚博士生王殿武，采集小組博士生王公，王崇愚博士生路寶坤，王崇愚，采集小組楊艦教授，王崇愚博士生劉少華，采集小組博士生李明洋、秦晉。

 

⑤王崇愚接受采集小組訪談（2017年8月11日）。

 

延伸閱讀

 

南策文院士訪談錄（節(jié)選）

■王公 秦晉

國內做材料計算的學者里，做功能材料的很多，做結構材料的相對少一點，特別是做高溫合金的更少，這一領域王崇愚老師真的是占有主導地位的學者。特別是他又發(fā)展了一些新的方法，包括多尺度方法等，而且如今他也是真正在用“材料基因組”的理念去設計高溫合金。我覺得在國內這么去提和真正這么去做的，王老師應該都是第一人。王老師自己也說，他現在的工作比以往的工作更為重要，因為他遇到了好的時代，遇到了好的時機，所以他也很興奮，說起“材料基因組”的研究，干勁十足，興奮得像個年輕人。

“材料基因組計劃”是美國人最先提出的，但王老師在國內對其內涵進行了一些拓展。以往，發(fā)現一個材料，之后慢慢地研究和改進，把它做到產業(yè)化，根據統(tǒng)計平均要18到20年，所以這個過程非常耗時，也非常耗費精力、耗費資源。所以就有人問，能不能有一個更快捷的辦法，縮短這一過程。美國人提出的計劃就是“材料基因組”，預想的目標是達到兩個二分之一 ——把從材料發(fā)現到應用的時間、成本都縮小到現在的一半，其實這個思路以前是有的，但是沒有人系統(tǒng)地提煉過。

美國人說“材料基因組”要有三個東西：第一個高通量計算，就是王老師一直做的，用計算機同時進行大批量的快速運算，因為計算機算的成本不高，不用像做實驗那樣一個個去試那么麻煩；第二個是高通量實驗，就像炒菜，自家吃飯用一個小鍋炒就行，但到了學生食堂就得十幾口鍋同時做才行，所以材料也是一樣，要用高通量實驗同時試制和分析一大批材料，進行快速篩選；第三個就是數據庫，因為人們已經積累了大量的實驗數據、計算數據，能不能從現有的大量數據里挖掘出新東西，也要靠數據的共享和有效利用，也就是數據科學與技術。把這三者密切結合起來，高通量計算快速發(fā)現任何的可能，實驗馬上去快速甄別，完成數據積累，再用數據挖掘去支持新的設計和實驗，所以三者形成閉環(huán)，結合起來快速開發(fā)新材料，這樣才能縮短時間、降低成本。

 

王老師在做我們中國的“材料基因組”戰(zhàn)略規(guī)劃的時候，把它外延了。美國人是高通量計算、高通量實驗、數據庫形成三個圓圈。王老師作戰(zhàn)略規(guī)劃的時候則是構思成五角星——高通量集成計算、高通量組合實驗和數據庫與數據科學之外，他強調引入了微觀結構實驗和算法軟件開發(fā)。他覺得我們現在做計算用的方法大多是人家的，軟件也是人家的，所以他強調了軟件開發(fā)問題而構建成五角星圖案。五角星也是我們國家喜歡用的一個標志，這是王老師的構思，我覺得這也是他很大的貢獻。

 

（受訪人南策文系清華大學材料學院教授、中國科學院院士、發(fā)展中國家科學院院士；作者單位：清華大學科學技術與社會研究中心）

《中國科學報》 (2018-10-29 第8版 印刻)