郑泉水(中国科学院院士、清华大学教授)

----更新时间:2022-07-06

郑泉水(1961年3月-),出生于江西省金溪县,固体力学与微纳米力学专家,清华大学航天航空学院工程力学系教授[1],中国科学院院士[2]。现任清华学堂钱学森力学班创办首席教授,清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心创办主任,深圳清华大学研究院超滑技术研究所创办所长,深圳零一学院(筹)院长[3]。

郑泉水于2000年后开创了结构超滑(指两个固体表面接触滑移区摩擦几乎为零、磨损为零的状态)理论与应用技术。结构超滑技术的诞生,为相关问题的革命性解决带来了曙光。2004和2017年两次获得了国家自然科学奖二等奖(第一获奖人),2018年获得了国家级教学成果一等奖。

人物经历

教育经历

1978-1981江西工学院(现南昌大学)土建系工业与民用建筑专业本科,获工学学士学位

1983-1984北京大学数学系应用数学专业在职硕士进修生(导师:郭仲衡院士)

1985.12湖南大学工程力学系固体力学专业工学硕士学位(同等学力,导师:杨德品教授、熊祝华教授)

1989.12清华大学工程力学系固体力学专业工学博士学位(同等学力,导师:黄克智院士)

任职经历

1982-1993 江西工学院(现南昌大学)土建系留校任教,历任助教(1983)、副教授(1987)、教授(1992)

1990-1993 访问英、德、法国,先后担任英国皇家学会研究员、德国洪堡基金会研究员、欧洲研究员

1993至今 清华大学工程力学系(现航天航空学院工程力学系)教授、博士生导师(1994)、系主任(2004-2011)、航院学术委员会主任(2004-2015)

学术兼职

2007-2009 澳大利亚Monash大学机械与宇航工程系双聘教授

2007-2011 《固体力学学报》和Acta Mechanica Solida Sinica主编

2007-2015 南昌大学高等研究院创办院长,创办高等研究院本硕实验班(2008)

2009至今 “国家基础学科拔尖学生培养试验计划”暨“清华学堂人才培养计划”钱学森班创办首席教授

2010至今 清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心(CNMM)创办主任

2011-2015 《力学学报》和Acta Mechanica Sinica主编,中国力学学会副理事长

2014-2015清华大学以色列特拉维夫大学XIN中心创办主任

2018至今 深圳清华大学研究院超滑技术研究所创办所长

2019年当选为中国科学院院士[3]

2021年深圳零一学院(筹)院长[3]

科研领域

郑泉水教授现阶段的研究兴趣是原始创新或颠覆性创新。其研究成就和当前兴趣,按照时间次序,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应用技术(2002);3、极端疏水科学技术与应用(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。

科研综述

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

本构方程是当代固体力学研究的核心难题。郑泉水于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)。

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,在此之前罕有高阶张量相关研究;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与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

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23%的一次性能源浪费在摩擦过程中,70%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,为相关问题的革命性解决带来了曙光。

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,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,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。[4][5]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杂志邀请撰写和发表该领域的未来发展趋势;[6]2015、2017、2019年,郑泉水等主持召开了迄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)

目前兴趣:

2018年9月,在清华大学、深圳市政府和深圳市坪山区政府的支持下,深圳清华大学研究院超滑技术研究所(以下简称“超滑所”)正式成立,这是全球第一个以超滑命名的研究机构。郑泉水担任创办所长,,并负责创建和全权管理运营深圳超滑技术平台。超滑所(暨实验平台)物理地址坐落在深圳国家高新区两核之一的坪山区。[7]

超滑所的愿景是:“零”摩擦改变世界,为一个更智能、更绿色、可持久的全人类社会,做出独到、革命性的贡献。使命是:成为结构超滑技术全球创意和研发中心,力助深圳成为全球创新高地,成就改变世界的创新创业者。

超滑所近5年的主要研究方向,聚焦在创造和研发基于微米结构超滑材料体系的若干具有重大国家需求或巨大市场前景的革命性技术产品,如基于结构超滑的微纳发电机、微纳传感器、下一代存储技术等。这些微机电系统(MEMS)及相关领域产品将拥有数量级提高的俘能或节能、极高品质、极高寿命和微小尺度等特点。同时,超滑所负责的深圳市超滑技术试验平台将建设和发展全球领先的结构超滑微加工平台等研发能力。

超滑所正处于快速发展时期,5年内将引进和打造专业团队,涵盖研发、市场、知识产权、实验室管理、行政、财务等各项职能领域;外加若干博士后(在清华或深圳)。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。

此外,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

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;[8]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,[9]突破了人们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。[10]

目前兴趣:

在上述研究基础上,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,以及制备操作简单、高效、低成本和广泛的适用性,有望大规模应用于工业化生产。

这些研究,除获得了国家自然科学基金委长期资助,并与美国IBM、波音、Schlumberger挪威科技大学、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“钱班”)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。

针对“钱学森之问”深层次的“痛点”“顽症”而言,钱班十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新潜能。在录取和评价学生方面,钱班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。

十年间,钱班创立的“进阶式研究学习体系”取得了显著的成效,用最少的学分培养了一批在力学与工程前沿交叉领域极富创造力、极具创新潜力的学术英才,在国际上受到广泛认可,是一个面向未来具有普遍意义的“大工科”拔尖创新人才培养新模式。[11]

郑泉水因此于2018年获得国家级教学成果一等奖,2019年获得宝钢教育基金优秀教师特等奖等。[12]目前,钱班正着手引导构建更大、更深入、更开放的平台,助推发掘和培养拔尖创新人才。

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。

郑泉水如下给出两篇论文的摘要和钱班十周年纪念文集序的摘要,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》[13]摘要:进入21世纪,创新被国家置于全局发展的核心位置,如何培养技术创新拔尖人才,既是钱学森之问,更是时代之问。力学的技术科学或工程科学属性,内在地决定了它能够、并且应该在回答钱老之问时,起到基础性的作用。基于这个使命,清华大学于2009年设立了定位于工科基础,同属清华学堂人才培养计划暨国家拔尖人才培养计划的钱学森班。作为负责钱学森班的首席教授,我在本文里首先论证三个基本观点:1)力学同时拥有定量化“基因”和技术创新“基因”;2)前者在以往发展得很好,后者却相对发育不良;3)这种发展不平衡有可能正是近30年来力学遭遇较大困境的内在根源,并且影响到工科创新。接下来,在简要介绍钱学森班的培养方案和实践案例的基础上,力图表明:以“通过研究学习”为牵引,可以构建一个大幅删减总课时要求却同时加强基础科学地位的课程体系,以激发学生的强烈学术志趣、有效实现对技术创新基因的强化。实践证明,这个培养模式受到了学生们的热烈欢迎和诸多学科导师的认可。最后,对力学面向未来技术创新的关键发展方向,进行了探讨。

《“多维测评”招生:破解钱学森之问的最大挑战》[14]摘要:进入21世纪后,互联网和人工智能等新兴技术,正加速将人类带近到从未面临过的一个“奇点”:智力被非人类全面超越,导致对教育的核心需求产生了千百年来最大的一次变化:从知识传授转为创新能力培养,且这一转变到来的速度和范围都远远超过预期,从而,破解“钱学森之问”迅速成为最急迫的国家战略性挑战之一。创建于2009年的清华大学钱学森班,是“国家拔尖创新人才培养计划”中唯一定位于工科基础的实验班。

作为负责该班建设的首席教授,作者在本文主要以实践案例说明:1)破解钱学森之问的最大挑战,同时也是最关键的一环,是高校如何在保障公平性的基础上,实现按创新人才的标准进行招生;2)目前的高校招生体系主要测评学生对知识的掌握这个单一维度(简称学习力,主要综合反映了学生的部分智力和投入),不仅无法完成选拔创新人才的任务,而且对国家教育资源造成巨大浪费并对亿万孩子带来终身伤害,因此,采用能够有效反映创新所需全面素养的多维测评招生体系选才不仅极其迫切,也十分必要;3)目前已经基本具备实现多维测评招生体系的可能性,如已举办三届(2013、2017、2018)的“钱学森班创新挑战营”,就成功地实施了一个五维度(内生动力、开放性、坚毅力、学习力和领导力等)测评,成效显著;4)“通过研究学习”不仅是创新型人才培养的“最好”途径,也是实施多维测评系统的关键抓手。最后,本文提出了一个构建于当前高考体系基础之上,借助于大数据,依托高校-中学联动体系,从国家最急需的高端创新人才选拔与培养开始的多维测评招生改革试点建议。

《序:十年寻心、任重道远》[15]摘要:清华学堂人才培养计划钱学森力学班(简称“钱班”)自2009年创立,至今已过去了十年。十年时间里,钱班成为了清华大学吸纳优秀新生的一块金色招牌和推荐毕业生广泛去向的一张闪光名片,其显著的特色可具体可归纳为四条:1)大工科、少学时、高强度;2)开放、交叉、重综合素养;3)通过研究去学习和定方向;4)学生动力强、老师参与高。这些特色形成的背后是钱班在过去十年逐步创建和实施的一套完整的以“进阶式研究学习体系”为牵引的CRC(course-research-community)培养体系。实践案例证明,这一创新型人才培养体系带来了四大收获。第一,引导和帮助学生寻找到了自己的激情所在。第二,帮助学生高效地实现精深学习,自主构建知识能力体系。第三,实现优秀师生互认。第四,帮助学生抓住了重大机遇。钱班十年来取得的成绩离不开学校各位领导,所有顾问、导师和任课老师,全体学生和家长,以及各界相关人士的帮助和支持,在此一并致以感谢。未来十年,钱班将从高校工科联盟、大学中学联动、内涵深化三个维度,持续拓展和深化人才培养,参与和引导构建一个更大、更开放的平台,发掘和助推更多的拔尖创新人才。

科研论文

[1] Zheng, Q.-S.: Theory of representations for tensor functions — A unified invariant approach to constitutive equations. Applied Mechanics Review 47, 545-587 (1994).

[2] Zheng, Q.-S.: On transversely isotropic, orthotropic and relative isotropic functions of symmetric tensors, skew-symmetric tensors and vectors: Parts I – V. International Journal of Engineering Science 31, 1399-1409; 1411-1423; 1425-1433; 1435-1443; 1445-1453 (1993).

[3] Zheng, Q.-S., Du, D.-X.: An explicit and universally applicable estimate for the properties of multiphase composites which accounts for inclusion distribution. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 49, 2765-2788 (2001).

[4] Zou, W.-N., et al.: Eshelby’s problem of non-elliptical inclusions. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 58, 346-372 (2010).

[5] Zheng, Q.-S., Jiang, Q.: Multiwalled carbon nanotubes as gigahertz oscillators. Physical Review Letters 88, 045503 (2002).

[6] Zheng, Q.-S. et al.: Self-retracting motion of graphite microflakes. Physical Review Letters 100,.067205 (2008).

[7] Liu, Z. et al.: Observation of microscale superlubricity in graphite. Physical Review Letters 108, 205503 (2012).

[8] Yang, J. et al.: Observation of high-speed microscale superlubricity in graphite. Physical Review Letters 110, 255504 (2013).

[9] Wang, W. et al.: Measurement of the cleavage energy of graphite; Nature Communications 6, 7853 (2015).

[10] Song, Y. et al.: Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal Boron Nitride layered heterojunctions. Nature Materials 17, 894–899 (2018).

[11] Hod, O. et al.: Structural superlubricity: Frictionless motion across the length-scales. Nature 563, 485-492 (2018).

[12] Zheng, Q.-S. et al.: Effects of hydraulic pressure on the stability and transition of wetting modes of superhydrophobic surfaces. Langmuir 21, 12207-12212 (2005).[8]

[13] Li, Y.-S., et al.: Monostable superrepellent materials. PNAS 114, 3387–3392 (2017).[9]

[14] Zheng, Q.-S. et al.: Small is beautiful, and dry. Science China - Physics, Mechanics & Astronomy 53, 2245–2259 (2010).

[15] Ma, M. et al.: Water transport inside carbon nanotubes mediated by phonon-induced oscillating friction, Nature Nanotechnology 10, 692-695 (2015).

[16] 郑泉水:开放式的创新人才培养. 水木清华, 10, 22-25 (2012).

[17] 郑泉水,白峰杉,苏芃,徐芦平,陈常青:清华大学钱学森力学班本科荣誉学位项目的探索. 中国大学教学, 08, 50-54 (2016).

[18] 郑泉水:论创新型工科的力学课程体系,力学与实践,40: 194-202 (2018).[13]

[19] 郑泉水:“多维测评”招生:破解钱学森之问的最大挑战,中国教育学刊,5: 36-45 (2018).[14]

[20] 郑泉水:序:十年寻心、任重道远,见郑泉水、何枫主编《求索创新教育,筑梦共赢未来—清华学堂人才培养计划钱学森力学班十周年纪念文集》,清华大学出版社,I-VII (2019).[15]

荣誉记录

1990 中国科学技术协会青年科技奖

1994 首届国际工程科学联合会和国际工程科学杂志杰出论文奖

1995国家杰出青年科学基金

1996 中国青年科学家(数理奖)

2004 国家自然科学二等奖(第一获奖人),项目:张量函数表示理论与材料本构方程不变性研究

2017 国家自然科学二等奖(第一获奖人),项目:范德华层状介质的滑移行为和力学模型

2018 国家级教学成果奖一等奖,项目:激发学术志趣、培养领跑人才-“学堂计划”拔尖创新人才培养模式探索与实践

2019 宝钢优秀教师特等奖[12]