严东生的晶体情缘

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  2016年9月18日5时56分,我国著名无机材料学家、战略科学家,中国科学院和中国工程院“双料”资深院士严东生走完了他98年的“完美”历程。熟悉严东生的人都知道,在他的一生中,求学时期曾师承大家吴有训、萨本栋、张子高等;工作之后更有诺贝尔物理学奖获得者丁肇中上门求教,也因此奠定了中国人工晶体的国际地位;晚年,他又为我国发展纳米材料建言献策,并担任纳米材料专项的首席科学家。他于1980年当选为中国科学院学部委员(院士),1994年当选为中国工程院院士(图1)。
  严东生的一生所经历的几次人生重大转折都是几无波澜,一个人的一生近百年,如能在无坎坷的平稳中度过实属不易,因此很多人评价严东生的一生是“完美人生”(图2)。
  1935年,严东生考入清华大学,物理学师承物理学大家吴有训和萨本栋(图3和图4),化学师承张子高和高崇熙,高水平的老师让严东生在学习上获益匪浅。由于战乱,清华大学不得不南迁,而严东生为免受战乱的干扰专心学习,跟随张子高教授转到燕京大学。1939年,严东生以全校第一的成绩从燕京大学毕业,获得了学校唯一的“金钥匙奖”。1946年,严东生赴美留学,在伊利诺伊大学主修陶瓷工学。1949年春,他以全A成绩获得陶瓷学博士学位,被授予4个荣誉学会的“金钥匙奖”。毕业后,严东生受邀留在伊利诺伊大学做博士后,继续从事陶瓷等无机材料的研究。当新中国成立的消息传到大洋彼岸时,严东生立即放弃了博士后的研究,回到了祖国。


  回国后,严东生遇到了他人生中的又一个伯乐,我国现代冶金学的创始人之一——周仁教授(图5)。周仁对严东生的才华赏识有加,在周仁的帮助下,严东生被调到上海冶金陶瓷研究所(上海硅酸盐研究所前身),严东生工作不久,就解决了当时我国冶金领域面临的一个世界性难题——含氟氧化铁矿石的冶炼,严东生当年提出的解决方案一直被沿用至今。
  位于上海市长宁区的中国科学院上海硅酸盐研究所(图6),严东生在这里工作了近60年,在熟悉他的人看来,无论是成长经历还是科研生涯,严东生的人生都完美的无可挑剔。
  正是在严东生的带领下,上海硅酸盐研究所在国际无机材料领域享有极高的声誉。其中,最著名的研究成果是——闪烁晶体(图7)。在这个领域,硅酸盐研究所之所以有今天的成就,还得追溯到30多年前严东生与诺贝尔物理学奖获得者、美国华裔物理学家丁肇中的一次国际合作。而他们彼此之间也建立了深厚的友谊 (图8)。直到多年后,严东生经常出入正式场合的时候,依然穿着当年丁肇中教授赠与他的西装。
  20世纪80年代初,位于瑞士的欧洲核子研究中心准备建造当时世界上能量最大的正负电子对撞机 (图9),进行高能物理实验,这项工程由来自十多个国家的500多位科学家参与,而丁肇中正是这项大科学项目的领导者。当时,丁肇中面临的一大困难,就是没有建造大型正负电子对撞机所需要的核心部件——闪烁晶体(电磁)。为此,丁肇中不远万里来到上海,找到了严东生。当时,常见的晶体多不适合制做大型正负电子对撞机电磁量能器,面对新问题和新的挑战,严东生决定采用锗酸铋(BGO)晶体试一试。








  丁肇中领导的实验组准备采用人工方法模拟宇宙大爆炸时的情景,希望能发现新的粒子和物质运动的迹象,而探索这些物质的核心材料就是BGO晶体。因此,丁肇中几乎近乎苛刻地要求BGO晶体必须是高质量、长度达30cm的大尺寸晶体,在此之前,国际上还没有人能做出这么大尺寸的闪烁晶体。当时,除中国外,美国、法国、日本的科研机构也同时参与这个项目的竞争。丁肇中决定,谁做的晶体最好,就把任务就给谁。经过1年的实验和研究,严东生向丁肇中递交了上海硅酸盐研究所制成的BGO晶体样品,与此同时,其他国家也递交了各自的晶体样品。经检测,由严东生团队制作的BGO晶体无论从质量还是尺寸上都领先于其他国家,那么这项任务自然而然就落到了严东生和上海硅酸盐研究所的身上。其实,当时的上海硅酸盐研究所的科研基础是所有竞争者中最薄弱的,就因为严东生凭借超乎常人的毅力和胆识,带领大家毫无争议的拿到了这个国际项目。但是,更大的挑战还在后面。丁肇中的要求是,上海硅酸盐研究所必须在5年内拿出12 000根大尺寸BGO晶体,如此短的时间拿出数量巨大的晶体,对上海硅酸盐研究所和严东生本人来说更是史无前例的任务。
  1988年,严东生提前一年完成了12 000根大尺寸BGO晶体的研制和制作任务,这个任务的出色完成,使得上海硅酸盐研究所扬名世界。丁肇中教授曾经说过,要晶体,就找上海硅酸盐研究所。在严东生的带领下,闪烁晶体已经发展到了第3代。2008年,上海硅酸盐研究所将第3代闪烁晶体钨酸铅提供给欧洲核子研究中心,未来,它将在比正负电子对撞机能量更大的正负强子对撞机 (图10)上发挥更大的作用,去发现目前人类尚未发现的在宇宙大爆炸时期产生的物质——黑格斯粒子。而发现这一类物质的人,可能就是下一位诺贝尔物理学奖的获得者。当完成第3代闪烁晶体研发工作的时候,严东生已经90高龄,在当今国际科学界如此高龄还工作在第一线的科学家为数极少。
  除了在人工晶体材料上的贡献,严东生对我国的防热涂层材料和纳米材料的发展也发挥了重要的作用。20个世纪60年代,我国洲际导弹的研究进入到关键时期,急需找到一种耐高温、耐腐蚀的新材料做导弹的端头防热罩(图11),防止导弹在高航速的飞行当中引起战斗部燃料的爆炸,时任上海硅酸盐研究所副所长的严东生承担了这项重大的尖端国防任务。经过反复试验,严东生带领的课题组研制出纤维增强陶瓷基复合材料,成功地解决了导弹端头防热罩的问题,严东生也因此被誉为“给导弹穿上外衣的人”。1981年,这项成果获得国家科技发明一等奖,同年,严东生当选为中国科学院副院长。1992年,国家科技部确立了纳米材料科学攀登项目,严东生和冯端2位院士被聘为双首席科学家,通过十多年的努力,我国纳米介孔材料已经应用到了汽车尾气和环境治理的领域中。按照严东生的话说,材料科学家的目光应该始终盯在现实的应用中,他也始终将材料的应用作为科技工作的重要目标,直至走完他“完美的一生”。

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