王崇愚：探索材料物性与材料基因

图说：王崇愚院士

辗转求学 走进钢铁研究

1932年10月12日，王崇愚出生于安东（今辽宁丹东）的一个知识分子家庭，父亲王椿年和母亲高书珍都曾受过师范教育。此时，东北全境已经沦陷，不堪日伪统治的一家三人在1934年辗转到了北平。在之后短短的五年间，王崇愚接连失去了母亲、外祖父母和祖母四位至亲，尤其是1936年的夏天，年仅26岁的母亲因病过早地离开了这个世界，留给了王崇愚无限思念。“七七事变”爆发后北平沦陷，为避战火，王家不得已迁往河北滦县生活。对一个四五岁的孩子来说，幼年丧母给他带来了人生最大的缺憾，他渴望母爱和安定的生活。

1937年王崇愚进入滦县小学学习，并在1942年考入滦县中学，不久转入开滦中学。初二那年父亲的来信他至今记忆尤深，信中谈起了母亲在世时望儿子读书成人的殷切期待，要他对得起黄泉之下的母亲。虽然与母亲共同生活的时光是短暂的，但母亲仍是王崇愚心中的至亲至尊，他决心绝不能辜负母亲的期望。

从1937年到1949年时局动荡，王崇愚也随家人在滦县、北平、沈阳等几地间辗转，先后在四所中学就读，1949年回到北平，转入北平市立第四中学（今北京四中）。早在初二学习小代数时，他就对数学产生了浓厚的兴趣，来到四中后，物理老师张子锷、化学老师刘伯忠和数学老师马文元、王景鹤等诸多名师知识广博、经验丰富，而且循循善诱，注重培养学生自己的思考能力，令他更是受益终身，带给他的不仅是丰富的知识更是对探索科学的浓厚兴趣。

图说：1954年王崇愚自北京钢铁工业学院毕业时与老师、同学留影。前排左四为柯俊，第二排左三为方正知，左四为徐祖耀，第三排左二为王崇愚。

中华人民共和国的成立更让王崇愚感受到了新旧两个时代的巨大变化，和那个时代的诸多同龄人一样，他满怀激情地投入到了中华人民共和国的建设之中。1950年高中毕业后，他考入了北洋大学。

1952年4月因“高校院系”调整成立了北京钢铁学院（今北京科技大学），1952年至1953年夏隶属于清华大学，王崇愚因此转入清华学习，直至1953年秋季北京钢铁工业学院正式建校。大学时代，柯俊老师讲授的“金属物理”、方正知老师的“X射线学”、张守华老师的“材料学”、徐祖耀老师的“金相学”、刘叔仪老师的“机械冶金学”以及韩德刚老师的“物理化学”等课程，指引着王崇愚走上了金属材料研究之路。特别是老师们展示的金属微观领域中的前瞻性研究，更是激发了他对研究金属学深层问题的兴趣。1954年6月，王崇愚自钢铁工业学院金属学专业毕业，被分配到重工业部钢铁工业试验所X射线实验室工作。这所1952年成立的单位是新中国第一个全国性钢铁科学研究机构，当时主要担负钢铁材料、冶金、耐火材料、煤焦的研制、试验及相关分析等工作。

图说：钢铁研究院北区试验楼，建成于1962年，王崇愚工作的精密合金研究室曾设置在此。

服务军工 探索含氧机制

1958年，钢铁工业试验所扩建为钢铁研究院，隶属于冶金工业部。为满足现代国防尖端技术，尤其是电子技术和仪器仪表工业中对具有特殊物理性能的功能材料的需求，院内设立了精密合金研究室（对外称第二研究室），研究院和二室负责人戴礼智、柯成等抽调多学科人才建室，有金属物理工作背景的王崇愚由此调到二室工作，开始从事镍铁基软磁合金（Permalloy）的研究，这种材料的特点是在弱磁场下能获得很高的磁感应强度，是自动控制、电子通信、计算机技术等高科技领域中的基础性、关键性材料。

1959年，通过文献了解到美国研制出最大磁导率为178万高斯/奥斯特的高导磁合金后，钢研院提出国产高导磁合金研究课题，由王崇愚为专题负责人。1960年“五一献礼”时，王崇愚小组研制的产品最大磁导率超过了国际同类产品，赢得了“磁王”美誉。此时“两弹一星”工程正处于全面展开阶段，王崇愚研究组因此接受来自国防部第五研究院的军工任务，为导弹控制系统研制高导磁材料。在实验和分析的过程中，王崇愚与合作者发现合金中微量的氧控制着材料的导磁特性，而之前氧元素一般被视为合金中的杂质。为此。专题组中的冶炼专家韩俊德设计了独具特色的“充氧工艺”，采取控制合金中氧含量的工艺措施，在几类磁性合金中成功应用，使产品最大磁导率和恒磁导率都满足了军工需要，应用于国产“东风”系列导弹。与此同时，王崇愚研究组开展了探索微量氧作用机制的研究，在1962年根据X射线实验以及相应的结晶状态分析，形成了“氧进入合金引起畸变，诱发过剩空位，导致加速扩散，促进二次再结晶，从而得到优异磁性”的初步理论思想。

行之有效的经验和持之以恒的探索使得王崇愚研究组在1970年至1980年成功将“含氧”这一成果进行了推广，研制出一系列合金材料，先后应用于人造地球卫星发射、歼—8飞机、高能回旋加速器等国家重点工程，1978年“高导磁软磁合金”获全国科学大会奖，1983年“含氧软磁合金”获国家发明奖三等奖。

图说：2013年3月14日，王崇愚在中国科学院学部“材料基因组”咨询项目启动会上发言。

在“718工程”相关任务中，王崇愚小组发现合金原子有序性对合金性能的重要作用，从而找到了控制材料磁导率温度特性的关键因素，成功研制具有国际先进特性的“特殊温度系数高导磁合金”，由此研制成深海现场盐度计探头应用于洲际导弹发射试验、南极科学考察、中美联合西太平洋考察等一系列远航和科考任务，受到国家海洋局和海军相关单位的表彰。为此，1988年王崇愚研究组再获一项国家发明奖三等奖。1993年，为表彰王崇愚30年来为军工材料研制工作作出的贡献，冶金工业部为他颁发了从事军工突出贡献奖章及奖状。

1950年至1980年，这三十年间王崇愚和他的同事们埋头苦干，忘我投入，把国家需要放在第一位，并以优异的成绩回报祖国。这份矢志为国的赤诚之心贯穿了王崇愚的整个学术人生。

潜心求索 发展计算材料学与多尺度科学

在投入军工工作的同时，王崇愚在不断学习、不断积累和不断探索。从1961年到1966年，他早起自清晨6点开始，赶在8点上班前进修中国电视大学数学系数学理论课程。“文化大革命”期间，有人质疑王崇愚“用‘学科带任务’压‘任务带学科’”，批他“热衷基础性研究，没把应用性研究的任务放在第一位”。好在上级领导惜才爱才，且中央指示对从事重要任务且踏实勤奋者可予以“保护”，因此王崇愚以在全院作一次有深刻认识的“汇报”，即作结论。

“文革”结束后，“科学的春天”再次到来，1979年4月冶金工业部推荐王崇愚到北京科学会堂听物理学家李政道讲授的“统计力学”课程；7月中国电子学会派遣他赴美国参加在纽约举办的“国际应用磁学及磁学与磁性材料联合会议”，王崇愚在大会材料组作了《磁性合金中氧气作用机制的研究》的报告，后将论文发表于期刊IEEE Transactions on Magnetics第15卷第6期。

王崇愚意识到自己研究材料物理深刻性问题尚有知识局限性，特别是深深感到理解电子效应将成为自己发展学问的关键。因此，1979年秋天，他开始到北京大学理论物理专业班旁听曾谨言教授的量子力学课程（120学时），同时在中国科技大学研究生院旁听高级量子力学课程（100学时）以及电动力学、实变函数、数学物理方法（II）等专业课程，而在此期间他仍然担负着多项军工科研任务。

20世纪80年代初，王崇愚与北京大学理论物理学家刘福绥、清华大学固体物理学家顾秉林以及中国科技大学（合肥）物理学家郑兆勃等学者结成研究小组，共同成功申请自然科学数理学部及材料学部一系列科研基金，这为他转向计算材料学打下了良好基础。

图说：王崇愚首次接受采集访谈后留影。左起分别为：王崇愚博士生王殿武，采集小组博士生王公，王崇愚博士生路宝坤，王崇愚，采集小组杨舰教授，王崇愚博士生刘少华，采集小组博士生李明洋、秦晋。

王崇愚对计算材料学的研究，源自于他在含氧合金研究中的一个问题——“为什么万分之一量级的氧竟在材料里面起这么大的作用？”20世纪80年代初，他借助经典弹性理论及位错理论基础，提出了“氧—层错复合体模型”。到20世纪80年代末，他已进入材料科学与固体理论的交叉领域，并将研究重点置于原子缺陷及结构缺陷复合体量子效应的研究主题，并逐步建立了缺陷复合体能量学计算体系，20世纪90年代和21世纪前10年他系统研究了化学掺杂及位错、晶界等结构缺陷与材料物性相关的问题以及多尺度算法与应用，发表近200篇论文，合作出版3本学术专著（至今发表论文240余篇）。

20世纪80年代关于层错缺陷电子结构与位错理论结合电镜实验研究的探索以及特别的化学焠取和气体分析实验，证实含氧合金中存在原子状态的氧，这令王崇愚更加专注于电子效应这一挑战性问题。20世纪80年代中期起，他继续探索微观电子与宏观物性相关性问题。1990年提出固体问题中材料多尺度建模及物性跨尺度关联算法—多尺度物理参量解析传递算法，其中将电子效应引入于位错运动之中，给出与宏观物性相关的参量，求解位错运动方程是其关键，这一算法在固体问题多尺度算法中具有开创性意义。其后他又提出了多尺度能量密度协同算法，用于处理原子尺度与介观尺度的跨层次研究。1993年，王崇愚当选中国科学院学部委员（后称科学院院士）。多尺度跨层次建模及算法研究得到了国家重点基础研究发展计划（“973”计划）的长期支持（连续3届共15年）。2006年王崇愚将基础研究与高端材料相结合，将高温合金航空发动机合金定为计算研究目标材料。

20世纪90年代初期，钢研总院工程师胡荣泽和王崇愚应美国西北大学物理系教授唐纳德·埃利斯（Donald E.Eills）邀请赴美访问交流，引入了由埃利斯创建的离散变分方法。1996年由王崇愚提议，在埃利斯和国内一批学者的支持下在国内成立了中国金属学会离散变分分会。2006年，同样在王崇愚和国内学者共同努力之下，中国材料研究学会正式设立计算材料学分会。这两个学会为国内计算材料学的方法推广和学术共同体建设作出了贡献。

图说：王崇愚接受采集小组访谈（2017年8月11日）。

只争朝夕 探索材料基因

2011年6月24日，美国政府在其“先进制造业伙伴关系”计划中提出了“材料基因组计划”，该计划通过更新计算和实验平台、推动数据标准化和共享，建立起材料的成分—结构—功能之间关系的数据库及相关模型等手段，力求在未来材料研发中根据性能需求找到设计材料的途径，以缩短新材料研发周期。

20世纪80年代末期以来，王崇愚将较多思考和时间集中于基于量子力学多尺度算法发展及应用问题，关注于结构缺陷和化学元素效应与材料物性相关研究。美国“材料基因组计划”提出后，我国科学家迅速跟进，2011年7月22日，时任中国工程院副院长干勇主持召开了“材料基因组计划”两院院士及专家座谈会，工程院主席团名誉主席徐匡迪院士作了重要讲话，王崇愚作了“材料基因组工程”概况的介绍，陈立泉、王鼎盛、黎乐民、朱静、叶恒强、薛其坤、崔俊芝等院士积极参与。与会院士专家一致认为，“材料基因组计划”是一个关系到材料行业以及整个制造业发展的重大项目，中国应抓住契机，尽快建立自己的材料基因组计划，树立实验—计算—理论—数据科学相融合的物质科学研究新理念，变革研发模式，实行以多学科交叉—多尺度跨域—多软件集成数据科学探索为核心的科学内涵，最终实现按需设计材料的目标。同年12月，79位国内著名院士、专家在北京香山饭店召开了以“材料科学系统工程（材料基因组计划）”为主题的第S14次特别香山科学会议，王崇愚在会上作了题为《高温高强合金与物性多尺度预测》的邀请报告。

2012年，中国科学院、中国工程院在其联合设立的 “新材料产业与研发体系建设”重大咨询项目中（组长为师昌绪院士），为了贯彻香山科学会议的精神，增设了“材料基因组计划”课题，在咨询报告中附上了王崇愚写的《材料基因组计划建议——加速发展先进材料面临严峻挑战和历史机遇》（2012年6月9日）一文。当年12月中国工程院正式启动“材料科学系统工程发展战略”咨询课题。

2013年3月，中国科学院启动由王崇愚、南策文牵头的“材料基因组”咨询课题，至此，“材料基因组计划”咨询研究项目正式诞生。2014年5月，由20位院士、近百位咨询专家组成的中国科学院咨询专家组完成了《材料基因组计划与高端制造业先进材料咨询建议报告》，该报告由中国科学院作为正式文件呈送国务院。2015年中央批示，直接采纳了中科院关于“材料基因组计划”的建议。同年科技部设立了“材料基因工程关键技术和支持平台”，并纳入“十三五”国家重点研发项目，由科技部“材料基因组计划”专家组组长谢建新院士积极推动这一计划的实行。在各方面的大力支持下，中国“材料基因组计划”迅速发展，一批与“材料基因工程”相关的科研机构也在上海、北京、广东、云南等地陆续建立起来。

王崇愚深深地记得，在1995年5月召开的全国科学技术大会上，时任中科院院长周光召院士在报告中提到“按照人们的需要或意愿，设计并制造所需要的材料，很早就是梦寐以求的事”。王崇愚坚信，只要不断探索和攀登，材料科学的研究一定会从必然王国走向自由王国。如今，王崇愚仍然忙碌于“材料基因组国家重点研发计划”科研工作的第一线，为材料科学不懈努力着。（作者单位：清华大学科学技术与社会研究中心）

院士简介：

王崇愚，满族，1932年生，籍贯北京。计算凝聚态物理与材料电子结构专家，中国科学院院士，清华大学物理系教授，中国材料研究学会计算材料学分会顾问委员，曾任第八、第九届全国政协委员。1954年自北京钢铁工业学院（今北京科技大学）毕业后进入原重工业部钢铁工业试验所（今钢铁研究总院）工作。1958年起从事军工材料的研制工作，研究成果获全国科学大会奖、两项国家发明奖三等奖及一项冶金部科技进步奖一等奖。20世纪80年代起逐步转向材料电子结构与材料组分设计的基础性研究。1993年当选为中国科学院院士，1999年工作调动至清华大学物理系。2011年以来参与中国“材料基因组计划”的咨询建议与实施工作。2017年开始承担科技部材料基因组国家重点专项“高通量并发式材料计算算法和软件”以及云南省材料基因工程重大项目“稀贵金属合金高通量计算及材料设计与物性关联研究”的科研工作。

作者： 秦晋 杨舰

来源：《中国科学报》