汪卫华院士：从非晶物质研究到“松山湖模式”探索

生命是什么？

1943年，著名物理学家薛定谔在一场演讲中探讨了这个问题，这位著名的量子力学先驱尝试用物理学中的工具和直觉来解释生物的活动。1944年，他的想法被整理成书《生命是什么？——活细胞的物理观》。薛定谔的这一尝试吸引了一批物理学家转向了生物学研究。

1946年，来自美国和英国的两名年轻人看完这本书后大受启发，先后前往卡文迪许实验室进修生物学。而就在薛定谔的《生命是什么？》一书出版9年后，1953年初，这两位年轻人联合宣布他们发现了生命的奥秘——DNA双螺旋结构。

今天，咱们从另一本书讨论“物质是什么？”

01

非晶：一种普通到让人忽略存在的“暗物质”

“爱因斯坦认为世界是简单、有序和和谐的。但是自然界的至美往往存在于她所呈现的复杂的一面，自然界的序往往存在于表面上纷繁杂乱的无序之中。复杂的生命体就是自然界造就的最复杂也是最美、最成功的一类物质。非晶物质是一种常见但复杂、多样而又神奇和有用的物质，其中不仅隐藏着很多深刻而有趣的科学问题和规律，也有美和序等待人们去发现、认识和利用。发现某种‘序’或‘秩序’的愿望，是一种强大的动力。”

2023年初秋，在《非晶物质——常规物质第四态》一书出版发行2个月后，汪卫华院士在松山湖材料实验室的办公室里平静又稍显激动地聊起十余年前开始筹备写作该书的初衷。

非晶物质在玻璃转变附近的状态(引自密歇根大学的 Jim Erickson)

“以DNA结构的发现史为例，一个学科的总结对年轻人的影响可能会非常重要，一个学科在发展的时候，其实需要有人进行一些汇总总结，然后让更多人在这个基础上不断迭代，这个学科才能发展起来。”

2010年，汪卫华院士在国外参加了一个学术交流活动，来自非晶、数学、工程、地质研究等各领域的科学家，在讨论到无序体系非晶物质时，大家从远古的火山灰水泥聊到推动人类现代科学发展的玻璃，再聊到如今备受关注的非晶合金等新型材料。

“我们天天接触的窗户玻璃就是最典型的非晶材料，在中国古代又叫‘水晶’，是最古老的非晶材料之一，但其实它对人类的文明发展、科学发展作用特别大，现代科学的起源是天文学，天文学的发展基础就是镜片玻璃，可以说，没有玻璃就没有现代科学、现代医学。”这场纵横古今的深度交流，让汪卫华院士大开眼界，同时深有感慨。

“所以我了解到这些以后，就更觉得非晶材料它像一种“暗物质”，就是非常重要，但又非常普通，让人感觉不到它的存在，很多人没有意识到它的重要性。”在他看来，非晶物质就是在固、液、气之外的第四种常规物质。

这么一个拥有无限发展空间的学科，为何一直没有一套系统总结介绍的书籍？带着“系统总结介绍非晶学科”的这个想法，汪卫华院士开始了他的12年创作之路。

据汪院士回忆，为了表述精准，需要查阅大量书籍和国内外相关资料，写作过程中的种种纠结和折磨不亚于科研中的磨难，有时还更甚。“有深夜时分文如泉涌的曼妙，有半夜梦中灵感激发的兴奋，也有凌晨披衣而诉于文字的欣喜，写写停停，写了删，删了再写，时而觉得很有信心，时而觉得很沮丧和焦虑，难以为继。”

2022年，总计近1500页，200多万字，分三卷的《非晶物质——常规物质第四态》书稿终于完成，汪院士郑重地将初稿交于科学出版社编辑。历经一年的编审校改，该书终于在2023年7月完成出版发行。

看着自己的书被一批批印刷出来，汪院士既高兴又忐忑。一方面，该书的出版发行填补了非晶学科领域系统总结介绍类书籍的空白，另一方面，他又担心这套书对非晶学科的推广和启迪效果不及预期。

“希望让更多的公众和外行全面了解到这种物质，特别是吸引一些优秀的年轻人加入到这个行业，科研发展就是一个人站在另一个人的肩膀上，这样才能把这个学科发展下去。”汪卫华院士殷切地希望非晶行业迎来更多新兵。

而这位自诩行业老兵的他，自己与非晶的缘分则源于30多年前他的本科毕业论文。

02

用非晶合金助力5G/6G行业发展

1987年春，汪院士在做本科毕业论文的时候开始进入非晶物理和材料这个领域。此后，他在硕士、博士、博士后都是从事非晶材料和物理研究。并于1998年在中国科学院物理研究所组建自己的非晶研究团队，开始独立的非晶物质研究。

一眨眼，他才发现自己已经在非晶世界学习、工作三十多年了。“对只有百年研究历史的非晶科学领域，我算得上是一名老兵，但我非常幸运，我的成长年代与新型非晶物质——非晶合金的研究和发展几乎同在一个时期，我的职业生涯也只和非晶研究相关。”

在一篇文章中，汪院士曾感慨：所有物理和天文专业的学生今天都会学习开普勒的行星运动三大定律，但是开普勒为揭示这些定律而付出的近乎狂热的长年努力，遭受的艰辛和痛苦常被人们忽略。他之所以能坚持几十年辛苦工作，从中寻找规律，是因为他坚信太阳系的行星每天的位置隐藏着神秘的序和壮美。希望非晶物质中隐藏的序和美也能激发有才能的年轻人去为之奋斗，懂得欣赏非晶物质中那些司空见惯的“无序”和“缺陷”，也便懂得了非晶物质的美和序。非晶物质研究史就是从混乱和无序中寻求规律和秩序，在纷繁和复杂中发现简单和美的历史。

正是在这种寻找序和美的信念驱动下，汪卫华院士及其团队在非晶合金领域结出了硕果。据汪院士介绍，其在松山湖材料实验的团队主要是开发软磁非晶合金材料。

非晶合金，是一种能量转换的材料，可以把电能转化成其它能量，被人们称为绿色制造与绿色应用相结合的双绿色高效节能材料。它具有优异的软磁性能，强度和硬度都要高于钢材，同时又有一定的柔韧性。

此前，我国非晶合金材料已在芯变压器领域实现了大规模应用，2022年年约产量30万吨，每年为我国节约电能上亿度。如今，伴随着5G/6G行业的快速发展，终端产品越来越小型化、高频化，高功率对软磁材料提出的要求也越来越高。

“简单说就是5G/6G手机，频率提高以后，其中担负能量转化的软磁材料它本身要耗能、发热、散热，如果有好的新型软磁材料，降低电能转换时的耗能及带来的发热，就可以不用太考虑它的发热问题。”这正是汪院士及其团队承接国家基金委的一个重大项目的主要目标，以非晶合金为基础，开发出能在高频下使用的绿色高效新型能量转换软磁材料。

据了解，常规的变压器属于50赫兹的低频产品，对软磁材料要求并不高，而如今的5G/6G终端应用对应的是是百万赫兹高频率转换，这是相差万倍的代差。如何提高非晶合金的转换效率，就成了这个课题的关键。

“软磁材料它有一个‘磁滞回线’，形状是个矩形，其面积代表软磁消耗的能量。总消耗的能量等于该面积乘施加的频率，面积越大，频率越高，它耗费能量就越多，5G的频率很高，在百万赫兹以上，所以我们必须要把磁滞回线面积做得非常小，这样才能保证高频下电子器件也能小型化、节能。”

据汪院士介绍，为解决这个难关，除了在要在材料表面进行面积设计，更重要的是要在原子排列的序、结构、成分层面进行调控。目前，汪院士团队已经达到了相应水平，部分产品已经在中试阶段。

与此同时，广受消费者欢迎的折叠手机也非晶合金的应用场景之一。其中，折叠手机两屏之间用于折叠翻转的铰链，正是由非晶合金这种可以像塑料一样注塑的金属制作的。

此外，汪院士还畅享将非晶合金应用到航天领域，用作太空“镜子”或空间制造的原材料。

一方面，因为非晶具有原子级别的光滑表面这一特性，汪院士希望运用非晶的特性，去做一些高分辨、长寿命、高反射率的“镜子”，这在空间定点观测、光学等领域都有非常好的应用前景。另一方面，将带状非晶合金置入类似蜘蛛一样的机器人体内，到达太空后再控制机器人将带状非晶“吐出来”打印成各种结构。

从业非晶研究30余年，这位行业老兵始终认为远远不够，而在科技成果转化落地方面，自己更是只算初窥门径。

03

用“松山湖模式”探索科技成果转化“死亡谷”的穿越线

据媒体报道，松山湖材料实验室创新样板工厂团队25个，直接孵化的42家产业化公司中，16个项目融资超6亿元，公司销售额突破4.5亿元。与此同时，松山湖材料实验室创新样板工厂今年频频登上央视新闻，“松山湖模式”也备受关注。

5年前，松山湖材料实验室作为广东省首批省实验室之一正式成立，汪院士从中中国科学院物理研究所接过松山湖材料验室主任一职。或许在商业化成熟的行业看来，5年足以建功立业，但在材料人看来，5年只是一个启动。

“一个新材料，从它在实验室里被发明发现到走向市场，一般都是要10年甚至20年。”这是汪院士对时间的定义，也是广大材料人的共识。

汪院士认为，创新样板工厂就是为那些已经在这些团队原来所在的实验室或研究院被研究了10年甚至20年的新材料项目提供一个合适的平台，提供更自由的资金、政策和团队支持，促进科技成果快速转化落地。而在这5年时间里，松山湖材料实验室也一直在进行各种新的尝试和探索，希望为其他行业类似平台带来更多经验。

但不可否认的是，“松山湖模式”下的四大业务模块已日渐成熟，且运转效果良好。

据汪院士介绍，实验室四大业务模块以“长线”“短线”目标相结合，负责产业转化的创新样板工厂其目标就是5年左右能够实现一批新材料项目的转化，这一“短线”目标也正是支撑实验室发展的基础之一。

此外，实验室的“长线”业务包含前沿科学研究、公共技术平台和大科学装置、粤港澳交叉科学中心三大板块。目前，前沿科学研究板块已有20余个年轻科研团队，该团队以基础研究为主要目标，同时也为对应的企业提供人才或技术服务；而累计投入约15亿的公共技术平台和大科学装置则类似一个共享平台，主要用于园区及国内外高校包括香港、澳门高校、企业、研究院进行材料的制备、表征、加工及材料计算；粤港澳交叉科学中心则主要用于行业学术交流及国际合作。

在日趋成熟的运营管理下，松山湖材料实验室已逐渐摸索出一条将材料创新与产业转化平衡兼顾之路。

汪院士表示，实验室近几年先后服务过几百家企业，在帮助企业解决问题带来两亿多营收的同时，也带了一批新的科研项目。“以前国内很多项目都是跟着国际热点、国际前沿做，我们实验室现在既注意国际前沿趋势，也注意在跟企业合作中发现的新需求，用需求牵引科研立项。”

站在松山湖办公大楼的阳台上，近在眼前的是苍翠起伏的荔林、曲折干净的马路、错落有致的研发大楼、碧波荡漾的湖水，初秋的微风迎面吹来，让人沉浸在这座公园式的园区里竟然有些出神。

而就在不远处，顺着汪院士的指向望去，十几座运行有序的吊塔和施工队正在加紧建设松山湖材料实验室的孵化园区。

看着汪院士欣慰地介绍着实验室的建设进度以及二期运营方案，显然，实验室的各项进度都在他的预期之内。

临走前，汪院士再次以一个材料人的自信和坚持补充道，“一种新材料可能会带来一个新行业，就像芯片让人类进入到半导体/信息时代，材料的原始性创新始终不能放弃。中国自古以来就在材料创新上成就斐然，中国的丝绸、瓷器独步天下几百年，我们在材料创新上应该有自信。”

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关于松山湖材料实验室

松山湖材料实验室（以下简称“实验室”）坐落于粤港澳大湾区重要节点城市东莞，于2017年12月22日启动建设，2018年4月完成注册，是广东省第一批省实验室之一，布局有前沿科学研究、公共技术平台和大科学装置、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块，探索形成“前沿基础研究→应用基础研究→产业技术研究→产业转化”的全链条创新模式，定位于成为有国际影响力的新材料研发南方基地、国家物质科学研究的重要组成部分、粤港澳交叉开放的新窗口。

实验室人才队伍总人数达1130，其中院士7人，高层次人才35人，博士后71人，团队聚焦金属材料、陶瓷材料、能源材料、低维材料、半导体材料、新型功率器件、先进制造和装备、超导和信息材料、高分子材料、生物医学材料十大研究方向。

创新样板工厂是科技成果小、中试孵化的物理载体和服务平台，致力于推动实验室产业技术研究与科技成果转化，拥有来自中科院、高校及企业等25个创新样板工厂团队，涵盖锂离子电池、SiC半导体器件、光子制造、多空陶瓷、绿色非晶材料等方向。

11月15-17日

松山湖实验室团队将在

2023第二届国际新材料展

科技成果主题展区

进行科技成果展示与交流

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