□ 李 剛

世界關(guān)注的實驗

2018年5月中旬，國際材料學界發(fā)生了一件振奮人心的大事，清華大學化工系魏飛教授團隊與航天航空學院李喜德教授團隊合作，在超強碳納米管纖維領(lǐng)域取得重大突破，在世界上首次報道了接近單根碳納米管理論強度的超長碳納米管管束，其拉伸強度超過現(xiàn)有的其他纖維材料。相關(guān)成果以Carbon Nanotube Bundles with Tensile Strength over 80 GPa(“拉伸強度超過80GPa的碳納米管管束”)為題，發(fā)表于納米領(lǐng)域國際頂級學術(shù)期刊Nature Nanotechnology上。

在這一重大成果的合作攻關(guān)過程中，以李喜德教授為帶頭人的實驗力學團隊厥功甚偉。據(jù)李喜德介紹，強度是材料眾多屬性中最重要的力學性能之一。碳納米管由于其優(yōu)異的性能，被譽為“21世紀材料界的奇跡”。它的強度為鋼的100倍，重量卻只有鋼的1/6，楊氏模量高達1TPa以上，拉伸強度超過100GPa。

“碳納米管作為一種新材料風靡全球，但要用作工程材料，它的基本性能還存在一些缺陷?！崩钕驳抡f，“用力學性能優(yōu)異的碳納米管制備成宏觀材料時，比如把單根碳納米管集成管束，或者摻雜在復合材料里，其拉伸強度往往遠低于單根碳管的強度。”如何將一根根碳納米管組裝后仍保持優(yōu)異的力學性能成為制備超強纖維必須解決的首要問題。

多年的研究使研究者意識到，碳納米管束或其復合材料性能下降的主要原因是由于形成纖維的碳納米管長度較短，單元體之間以范德華力相互搭接，在拉伸載荷作用下極易發(fā)生相互滑移。此外，碳納米管的結(jié)構(gòu)缺陷、碳管端頭在復合材料中存在的應(yīng)力集中以及在復合材料中的雜亂取向等也會導致纖維強度下降。因此，人們開始研制超長碳納米管和管束，以期改善上述問題。但是李喜德和魏飛兩個團隊的合作研究表明，即使獲得了無缺陷的厘米級超長碳納米管束，其拉伸強度仍然低于同樣條件下獲得的單管強度。這一結(jié)果讓多年從事材料力學性能檢測和表征的李喜德敏銳地意識到，在這些超長碳納米管束中一定存在著殘余應(yīng)力?！斑@就好比一座懸索橋的鋼索，一大股鋼索由多根鋼絲組成，如果鋼絲拉緊的程度不同，有的太松還沒有受力，有的卻因為繃得太緊而斷了，其后果是整個鋼索在較低的應(yīng)力水平下就斷裂了。”李喜德用了一個最淺顯的比喻說給記者聽，“我們決定將制備出來的超長碳納米管先剪斷，釋放殘余應(yīng)力后再拉伸，其強度就有了顯著的提高?！?/p>

或許單從力學角度看，這是一個很簡單的問題，但是要真正把實驗做起來，你就會發(fā)現(xiàn)它的難度超乎想象?！耙驗楸徊僮鲗ο蟮奶卣鞒叨仍诩{米量級，而且還要在掃描電子顯微環(huán)境和光學顯微鏡下通過微納米操縱手進行，所以實驗極具挑戰(zhàn)性?！眹鴥?nèi)外鮮有其他團隊挑戰(zhàn)這一實驗，一方面是技術(shù)問題，另一方面是需要建立復雜的實驗系統(tǒng)和掌握先進的微納米實驗技術(shù)。即便是有著十幾年的研究基礎(chǔ)的李喜德團隊，也用了一年多時間對設(shè)備和測量方法反復探索與嘗試，才完成了超長碳納米管和管束的拉伸試驗，實現(xiàn)了管和管間、管壁間相互作用力的直接測量。發(fā)現(xiàn)了制約超長碳納米管束拉伸強度的初始應(yīng)力機制，提出了一種“同步張弛”的策略，通過納米操縱釋放管束中碳納米管的初始應(yīng)力，從而將碳納米管管束拉伸強度提高到80GPa以上，接近單根碳納米管的拉伸強度。這一成果揭示了超長碳納米管用于制造超強纖維的光明前景，為發(fā)展新型超強纖維提供了新途徑，堪稱具有里程碑意義的突破性進展。

這次合作攻關(guān)充分體現(xiàn)了實驗力學多學科交叉性的特點。實驗力學是基礎(chǔ)科學和工程技術(shù)綜合的產(chǎn)物，在跨學科領(lǐng)域研究中發(fā)揮著重要作用。李喜德介紹說，實驗力學是一門將力學與光、電、聲、磁、熱、射線、圖像和信息等多學科技術(shù)交叉的，研究與力學基礎(chǔ)和工程應(yīng)用相關(guān)的測量理論、方法、技術(shù)、設(shè)備及其應(yīng)用的技術(shù)性學科。特點是力學與新技術(shù)緊密交叉，除了具有力學研究的基礎(chǔ)性外，又具有技術(shù)性與工程應(yīng)用的特點?！皩嶒灹W，本身是力學學科中理論、實驗和計算三個方向之一，其所研究的先進測量方法、技術(shù)和設(shè)備可以很快地應(yīng)用到基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域去解決具體問題?！边@也是讓李喜德癡迷于實驗力學領(lǐng)域研究的一個原因。

李喜德（中）同自己的學生們合影

在此之前，李喜德除了從事先進實驗力學方法和技術(shù)研究外，也先后開展了廣泛的工程應(yīng)用研究和儀器設(shè)備的研制。他和合作者在電弧風洞中完成了某關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在高速、高溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)變形測量，這是國內(nèi)首次在這一極端環(huán)境下實現(xiàn)這一關(guān)鍵部件的全場變形測量，獲得了全場高溫變形和溫度載荷的直接實驗數(shù)據(jù)；他研制了現(xiàn)場原位輪廓測量系統(tǒng)和極坐標拉伸系統(tǒng)，實現(xiàn)了人體背部輪廓和人體韌帶組織的原位現(xiàn)場測量，目前，相關(guān)系統(tǒng)已用于空軍總醫(yī)院的臨床治療；他研發(fā)了大型結(jié)構(gòu)的變形、輪廓和姿態(tài)測量技術(shù)和系統(tǒng)，完成了模擬機翼變形、形貌等的測量，并結(jié)合我國某大型滑道和相關(guān)運載系統(tǒng)，參與討論和設(shè)計了氣動彈性光學變形測量系統(tǒng)，完成了某型火箭低溫燃料發(fā)動機液盤流道內(nèi)部微裂紋探測等工作。

李喜德最欣賞的話是，研究需要有想法，然后持之以恒、踏踏實實地去實現(xiàn)它。力學的力與美，在李喜德眼中，一方面是理論，解析世間萬物之間相互作用的奧秘；另一方面是應(yīng)用，可以解決一個個實際問題，打造一個新世界。

一路跑出領(lǐng)先水平

李喜德出生于20世紀60年代，那是一個運動不斷的動蕩時期，幸運的是，他沒有中斷學業(yè)，從小學到博士，一路走得很順利。李喜德的大學本科是在西北大學物理系度過的，學習的是激光物理專業(yè)。畢業(yè)時，他婉拒了學校留校邀請，考上了西安交通大學工程力學系的碩士研究生，開啟了固體力學的研究。碩士畢業(yè)時，本已決定留校做助教的他被學校機械系的譚玉山教授看中，而被邀請到自己的實驗室讀博士。三年博士讀下來，在博士答辯時，作為論文主審人的中國科技大學伍小平院士認定李喜德人才難得，向他發(fā)出了“到我這里來做博士后”的邀請，李喜德遂改變了去上海工作的念頭，來到合肥的中國科技大學做博士后。在出站后的1996年到2000年間，他又先后到瑞典的律勒歐技術(shù)大學和香港大學做訪問學者，留學深造，開闊眼界。

10多年下來，李喜德經(jīng)歷了“三個系、六個大學，從理科到工科，又從工科到理科”的洗禮，“我的本科西北大學是理科的，之后到西安交通大學是工科的，中科大是理科的，去了瑞典律勒歐技術(shù)大學又是工科的，再到香港大學又是理科的，最后來到清華大學是工科的……”李喜德細數(shù)著他這些年來的求學歷程，在外人看來，這真是一場“折騰”，但是對于李喜德本人卻是難得的人生磨煉?！跋鄬τ趪鴥?nèi)實驗力學同行大多是純力學出身，我既有物理背景，又有力學基礎(chǔ)，也算是一個優(yōu)勢吧?！崩钕驳氯缡钦f。這一優(yōu)勢使他一直處于新方法新技術(shù)的研究前沿。這些年來，他一步一個腳印，帶領(lǐng)著團隊潛心鉆研，從散斑相關(guān)技術(shù)、電子散斑干涉、相移和載波技術(shù)發(fā)展到數(shù)字微納散斑，探針實驗力學等先進的微納米測量方法及手段，提出了“時間序列散斑”的概念，并從時間維出發(fā)提出了時間序列相位法、相位掃法描、匹配相關(guān)等序列散斑場分析方法，突破了傳統(tǒng)光學干涉法中基于空間維的全場測量原理，建立了時間軸全場光學干涉測量新機制。測量對象涉及微機械系統(tǒng)中的微橋、微梁、超薄金屬薄膜及生物組織等多學科領(lǐng)域，向世人展示了實驗力學發(fā)展和應(yīng)用的廣闊前景。

材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變形測量始終是力學實驗中的瓶頸，而介質(zhì)或結(jié)構(gòu)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化，缺陷、殘余應(yīng)力分布、密度和溫度的變化等是工程應(yīng)用中的重要問題。李喜德首次通過干涉投影完成了瞬態(tài)聲場在通過障礙物衍射時，空間衍射聲場的波前與壓力場三維重建，獲得了沖擊波前的傳輸區(qū)與干涉區(qū)；20世紀90年代初，在國內(nèi)率先進行了同步輻射光CT研究，完成了復合材料內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)、缺陷等的重建；將載波、脈沖電子散斑干涉技術(shù)引入CT，完成了含噪聲投影數(shù)據(jù)下溫度場、瞬態(tài)入射和反射聲場的三維重建。該研究將實驗力學表面測量拓展到三維內(nèi)部測量，實現(xiàn)了高速載荷條件下介質(zhì)或材料內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)及力學場演化的表征和測量。

李喜德首次引入缺陷特征參數(shù)（DCP）的概念，提出了解析、優(yōu)化和類比的光學定量無損探測（QNDT）新方法，通過激光遠場衍射與小波局部突變條紋分析，實現(xiàn)了大數(shù)量干涉圖中缺陷的自動識別。該研究被應(yīng)用于壓力容器等結(jié)構(gòu)的缺陷探測與反演分析，為解決材料或結(jié)構(gòu)中缺陷無法直接測量的難題提供了新的測量與分析方法。

近些年來，微納米力學逐漸成為固體力學的一個重要發(fā)展方向，隨著研究對象尺寸的急劇減小，常規(guī)的實驗力學方法在檢測對象的夾持、加載以及微力與微變形測量等方面均無法滿足檢測要求，微納米材料、微結(jié)構(gòu)、微器件等的發(fā)展與廣泛應(yīng)用對微尺度實驗力學測量方法和技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。李喜德帶領(lǐng)團隊系統(tǒng)地開展了微納米力學測量方法和技術(shù)研究，率先實現(xiàn)了基于微梁和光學干涉方法的黏附失穩(wěn)動態(tài)變形實時測量，求解了平衡態(tài)與失穩(wěn)態(tài)粘著時的時變毛細力；提出了多層級微力識別的概念，建立了多層級微力識別時精度、靈敏度及誤差的傳遞關(guān)系；提出了可以溯源到光波長的微力標定方法，完成了毫牛到納牛傳感器之間的連續(xù)標定；提出了探針實驗力學新方法，研制了多探針微納米實驗力學測量新裝置，通過引入電子束沉積（EBID）和范德華、毛細、靜電等相互作用，有效地控制了微納尺度不同夾持方法的界面強度，解決了微尺度實驗力學中的夾持及測量中實驗可靠性的難題。

摩擦和磨損涉及力學、材料、物理、化學等基礎(chǔ)學科和機械、能源、環(huán)境、醫(yī)療等工程技術(shù)，對經(jīng)濟和人類社會影響巨大，一度被認為是所有物理現(xiàn)象中最具挑戰(zhàn)性的問題之一。據(jù)統(tǒng)計，全球約1/4的一次性能源因摩擦而損耗，約80%的器件失效由磨損而引起。尤其當系統(tǒng)尺寸縮小到微納米尺度時，界面摩擦成為制約器件性能和壽命的關(guān)鍵因素。解決摩擦磨損問題的根本途徑是實現(xiàn)固體界面之間的極低摩擦甚至零摩擦，即超潤滑。人類歷史上第一次觀察到超潤滑是在2004年，由荷蘭科學院院士弗倫肯（J. Frenken）領(lǐng)銜的團隊在納米尺度、超高真空、低速（微米/秒）的條件下觀察到石墨—石墨烯界面超滑。但由于實驗條件過于苛刻，無法投入使用。并且，包括弗倫肯本人在內(nèi)的許多科學家都認為從理論上證明納米以上尺度結(jié)構(gòu)超滑難以實現(xiàn)。

和學生一起做試驗

但是在2012年，鄭泉水團隊與李喜德團隊合作取得了突破性進展，他們實現(xiàn)了在微米尺度（1～10微米）的超潤滑，徹底顛覆了人們之前的相關(guān)認識。特別值得一提的是該超潤滑現(xiàn)象可以在大氣環(huán)境中實現(xiàn)，并且具有極好的重復性。這一成果被超潤滑的提出者——日本教授平野元久評論為“在超潤滑現(xiàn)象超越納米尺度所邁出的一大步”，而之前認為不可能在大尺度下實現(xiàn)超潤滑的荷蘭科學家弗倫肯也在Chemistry World上稱贊“這是一個聰明的、經(jīng)過仔細設(shè)計且極具勇氣的實驗”。

李喜德和他的合作者的創(chuàng)新性學術(shù)研究獲得了2009年高等學?？茖W研究優(yōu)秀成果獎自然科學獎一等獎，1998年國防預研基金二等獎。他和同行們憑借著持續(xù)不斷地發(fā)力為中國實驗力學在國際上贏得了贊譽。2016年，在希臘召開的國際實驗力學會議上，李喜德受導師伍小平院士的委托作為代表登臺向國際實驗力學同行介紹了中國實驗力學30年來的飛速發(fā)展?！翱梢哉f，中國的實驗力學水平已經(jīng)能和國際先進國家平起平坐。在某些領(lǐng)域，我們已經(jīng)處在領(lǐng)跑位置！”李喜德自豪地表示。

不拘一格育人才

自1999年，李喜德接受清華大學的邀請任職以來，20年時間里扎根于這片沃土，不僅從事科學研究，還擔負起人才的培養(yǎng)重任。對于學生的培養(yǎng)，李喜德看得很重。他認為，如果想開創(chuàng)出力學的全新局面，人才隊伍建設(shè)是學科長遠發(fā)展的一項重要工作，要培養(yǎng)出更多的青年才俊來才行。

在李喜德心中，他與學生的關(guān)系不僅是師生，還是朋友，更是未來路上讓中國實驗力學研究領(lǐng)跑世界的隊友?！皩W科未來的發(fā)展要靠年輕一代，要有一批杰出的學科帶頭人，他們是今后開展原創(chuàng)性研究的保障?！崩钕驳氯缡钦f。在他看來，我國是一個人才資源大國，有充足的優(yōu)秀生源，但如何培養(yǎng)他們是一個關(guān)鍵問題。多年的教學實踐讓李喜德成為半個“心理學家”，他開玩笑說“只要與清華大學的一年級新生聊一聊，我就知道四年之后他會是個什么樣子”。對此，李喜德解釋道：“能被清華大學錄取的學生，我并不擔心他們的學習能力，而我主要看的是，他們的想法、性格、自信心和好奇心，這些因素最終會影響到他們未來的發(fā)展。”

李喜德說，每一個學生都是獨一無二的，有的內(nèi)向，有的外向，有的想法很多，有的非常勤奮，有的堅持按部就班，有的則喜歡另辟蹊徑?！扒f不要低估你的任何一名學生，他們都是有能力的。”這是李喜德時常掛在嘴邊的一句話。他會根據(jù)每個人的性格、特點，因材施教，時刻挖掘?qū)W生的潛能?！拔蚁Ｍ芗ぐl(fā)他們的興趣，培養(yǎng)他們的自信和獨立創(chuàng)新精神，鼓勵他們?nèi)グl(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新理論、使他們能夠做出一流的成果，能夠助力解決國家重大工程的一些實際問題，而不僅僅是以發(fā)表論文作為最終科研目標?！?/p>

在枯燥的專業(yè)課上，李喜德也會時不時地聊一些和力學無關(guān)的話題，看似無關(guān)，實際上卻是將自己幾十年的人生智慧和科研經(jīng)驗融在其中，與學生分享。比如哈佛大學凌晨4點的燈光、歷史上一些大事件的成敗得失以及青蛙和鷹的角色定位……李喜德對他們講：“做一只鷹呢，就是要做學科的帶頭人，你要能在高空中俯視大地，能夠看清學科總的發(fā)展趨勢，繼而有能力去解決學科發(fā)展問題。做一只蛙的話，就要兢兢業(yè)業(yè)面對眼前的具體問題，把研究做透！”李喜德說，對于學科研究，我們既需要鷹，也需要蛙。我希望他們能夠清晰自己的定位，不要幾年下來還是渾渾噩噩。

李喜德現(xiàn)在還擔負著中國力學學會理事、中國實驗力學委員會副主任、北京力學會秘書長、北方七省力學學會秘書長、中國大百科全書的編委以及多家國內(nèi)外專業(yè)期刊編委等眾多職務(wù)。打開他的工作日程本，上面密密麻麻地記滿了待辦事項和時間表：每周兩次雷打不動的專業(yè)課、為學生批改論文、組織北京力學會的專家參觀北京及其周邊地區(qū)的國家大型工程、組織高端學術(shù)論壇、協(xié)調(diào)和組織兩年一度全國周培源力學競賽北京賽區(qū)的比賽工作、組織和參加多個國際國內(nèi)會議、組織全國30多個作者共同編寫大百科全書第三版中實驗固體力學條目及每周審閱來自國內(nèi)外的期刊投稿等。

每天早晨6點起床，吃完早飯就奔赴學校，忙起來要晚上十點鐘左右才能回家。繁忙的工作讓李喜德放下了所有的興趣愛好。“原來還組織朋友們一起打打羽毛球，后來實在是沒時間參加了，現(xiàn)在只剩下散步算一個愛好吧。”李喜德住在北京的奧林匹克森林公園附近，每當疲憊不堪的時候，他就會沿著公園的小徑走上一圈又一圈，權(quán)作放松。春天的花開，秋天的落葉，多年下來，李喜德對這條路再熟悉不過，其間有坦途、有泥濘，有陡坡，像極了自己科學研究的攀登之路。“人生沒有白走的路，每一步都算數(shù)！”每當想起這句常給學生們說的話時，李喜德就會把所有的累都拋到了九霄云外，腳步輕快地繼續(xù)前行。