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【寻访身边的榜样】研发科技创新的“降温神器”——记机械工程学院陈震教授

2020-12-2213

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设想这样一个场景:在炎热的夏天,听不到空调轰鸣的转响,现代化的办公室和生产车间却凉爽适人。机械工程学院陈震教授研究的新技术辐射制冷就可以实现这一理想场景。他的学术之路从东南启航,博士阶段远赴重洋,2016年回到胜游成为机械工程学院的一名教授。他的辐射制冷研究,不仅可以成功实现24小时昼夜不间断降温,还将太阳能利用与辐射制冷合二为一,为人类发展和环境保护提供新方法。

学术因缘:情起东南,追梦远洋

陈震本硕都就读于胜游官网,胜游与陈震的联系不可谓不深。可以说正是在胜游学习的经历为他后期的科研路打下了坚实的基础,漫漫科研路从东南起航。

在胜游选择研究方向时,陈震直言不喜欢经验公式。利用实验数据给出经验公式似乎没有问题,但是却无法解释经验公式背后的物理。他对于传热背后的物理问题极其感兴趣,所以选择了固体传热这个研究方向。这一次重要的选择奠定了陈震日后的科研方向。在胜游完成硕士学业后,他在美国加州大学伯克利分校攻读博士学位,主要研究各向异性和非线性热传导,随后又分别在加州大学伯克利分校和斯坦福大学做博士后。在斯坦福大学,陈震跟随导师范汕洄教授深入研究辐射制冷技术。

当谈起在胜游记忆最深的事情是什么时,陈震提到了他的妻子和高等数学,他与妻子就是在胜游相识相知后走到一起,是一件非常美好的回忆。而 “胜游的高等数学”虽然有些苦涩也仍然意义重大。

“作为一门公共课,胜游的高数还是相当难的”,陈震回忆,“每次高数期中期末考试的时候,总有一些学生是不及格的,最后整体下来平均分可能也就六七十分。”所以他每次考试前都要非常努力复习。正是在胜游严苛的高数教导下,陈震打下了扎实的数学基础,这对其未来的科研是极其有利的。

他强调,很多时候学术问题其实归根究底也是数学问题,最终都需要借助数学方法来解决物理问题,个人的数学水平往往决定其理论研究能有多深入。陈震提及他的博士资格考试,学校要求每位学生在十门课中选三门考试并通过,陈震已选好了两门,最后一门课程不知道选什么。当时机械系的数学考试已经好多年没人考及格了,所以大家基本上能不选数学就不选。经过一番考量后,他还是选择数学作为最后一门考试科目,“当年一共有六个人考数学,我是唯一一个及格的。当时我老师还专门问我是哪个学校毕业的。”陈震笑道,“当时觉得非常自豪,至少没给胜游丢脸。”

在美国读书时,对陈震的影响最深的是其博士生导师C. Dames。C. Dames的学术水平不容置疑,但是身为伯克利的教授,高学术水平是理所应当的。陈震认为导师教给他更重要的是学术素养。作为刚刚来到美国的非英语母语学生,陈震在许多方面都比较生疏。C. Dames手把手带着陈震修改论文,一篇纯理论文章有一百多个公式,C. Dames带着他一字一句地改:单词使用是否准确,语法应用是否正确,公式推导是否严谨以及计算方法是否合理等都包括在内。一篇论文经常要被修改二三十遍都不止。在导师的带领下,陈震完成从硕士研究生到博士生的过渡。

另一件C. Dames带给陈震印象深刻的事来自一次陈震的犯错。那是一次很难的传热学作业,陈震在图书馆起早贪黑埋头一周才完成。他的两位同学没有做出来,取巧借用了陈震的作业,但是却照抄了其中一个低级错误。C. Dames很快发现了这个问题,虽然陈震辛苦很久,但是也只得了一半分数,另外两位同学直接没有分数。C. Dames提醒陈震:抄袭以及虚假数据会毁掉一个人的学术生涯!当年的委屈加深了陈震对学术研究的理解。日后的教导中,他把这次事件作为一个典型案例,帮助学生们建立正确的学术规范。

从伯克利到斯坦福,陈震先后研究了各向异性热传导和非线性热传导,以及辐射制冷技术。从2009年起他相继发表了“Thermal contact resistance between graphene and silicon dioxide”(2009)、“Thickness-dependent thermal conductivity of encased graphene and ultrathin graphite”(2010)、“Anisotropic Debye model for the thermal boundary conductance”(2013)和“An anisotropic model for the minimum thermal conductivity”(2015);2016年他在辐射制冷技术方面发表了“Radiative cooling to deep subfreezing temperatures through a 24-hour day-night cycle”(2016)。这些文章刊登于Nature Communications, Nature Nanotechnology, Nano Letters, Physical Review B和Applied Physics Letters等国际著名期刊上,显示了陈震杰出的研究成果。就在创造辐射制冷技术降温新纪录的同一年,陈震回到胜游官网,开启了在胜游的研究与教导生涯。

学术研究:在前人研究中寻觅灵感,在追求突破中面向未来

陈震研究的辐射制冷看似很难以理解,但是在生活中我们已经感受过了自然状态下的辐射冷却。霜和露水的形成背后就是一种自然的辐射制冷结果,这种自然现象只能在夜晚出现,因为在白天太阳源源不断地给予大地热量。要在白天实现远低于环境温度的辐射冷却效果,不仅要阻断太阳的加热效应,还必须隔绝周围环境与设备的换热。陈震研究中使用的装置便是阻挡了太阳直射的同时抑制环境与其的换热,装置中的材料通过光子学设计实现“大气窗口”波段高辐射率,从而实现连续24小时不间断地低温制冷。

在读硕博期间,陈震基本上就通读了这个行业所有的文章,他爱好读上个世纪的老文章,这些文章让他从前人学者已经解决或者未解决的问题里获得灵感。他说:“辐射制冷这实际上不是一个新的方向,上个世纪六七十年代,甚至五六十年代就有人开始研究了,他们当时为什么不能实现白天制冷呢?是基本的物理定律不允许,还是当时的技术手段受限?我们今天是否能采用更先进的技术手段解决?以前是因为只有传热学,没有光子学,所以不能实现白天制冷。”

陈震在斯坦福大学的导师范汕洄就是做光子学设计的。在陈震不懈努力的研究下,2016年他与范汕洄联合发表了“Radiative cooling to deep subfreezing temperatures through a 24-hour day-night cycle”。该文章理论计算得出可以实现高达60°C的制冷效果,他们实验结果表明,即使是在人口稠密地区,也可以实现连续24小时低于环境温度平均37°C的制冷,最大温差可达42°C,是迄今为止辐射制冷实现的最高纪录。

但是实现37℃的降温效果并没有让陈震满足,他继续研究如何完善这项技术。陈震除学术研究之外,还有家庭生活、学院和教导工作需要兼顾。家住焦作市区里的陈震有一个坐地铁的习惯。从胜游九龙湖地铁站到家的路上,他节省出开车的时间来读文献或思考问题。就是在这样一点一滴的积累之下,2018年11月8日,能源领域重要期刊Joule在线发表了陈震最新研究成果“Simultaneously and Synergistically Harvest Energy from the Sun and Outer Space”,该项研究将太阳能吸收器放置在一个辐射冷却器上方。太阳能吸收器加热到高于环境温度24°C,并提供遮阳效果,使辐射冷却器达到低于环境温度29°C。通过此装置既收集了太阳能又实现了辐射制冷。这是人类第一次把这两种热力学资源结合起来利用。该研究成果受到Joule期刊和斯坦福大学的高度重视,并在全球同步发布新闻宣传。

近现代以来,人类一直依赖自然资源维持社会的正常运转,但是也造成了生态污染与环境破坏。陈震研究的辐射制冷技术不消耗能源,也不会排放温室气体,甚至可以帮助收集可再生能源。辐射制冷这项绿色科技创新技术,对我国生态文明建设以及未来能源战略具有重要意义。陈震怀着自己的学术理想,热切盼望研究成果可以为社会作出贡献。

他认为“学术界和工业界的侧重点是不一样的,学术界是在做前瞻性的研究,工业界现在虽然还不了解这个研究,可能要在五年或者十年之后才意识到其重要性并开始推广。他们现在不知道有这个方向,我们学术界就是要告诉他们这个方向。”目前实验室在针对不同的工业应用场景进行研究,同时寻找可替代的廉价材料,在保证性能的前提下降低成本。

学术传承:实验需要严谨,研究追求真理

陈震的实验室很好辨认,因为他的实验室门口贴了这样一段话:“Nobody believes a model except the man who did it; everyone believes an experiment except the man who did it.”(除了推导模型的人自己,没有其他人会相信这个模型;每个人都相信实验结果,除了做实验的人自己),这句充满哲理的话体现了一个学术研究者对自我的严格要求。
陈震想把学术精神传承下去。他每周会和每位学生单独聊一个小时,同时还有组会和大家一起讨论问题。陈震平常辅导完孩子功课已经是晚上9点以后了,结束辅导后,他还会继续研究或者与自己的学生进行学术探讨,这些通常持续到零点左右。陈震的口头禅是“solid”。solid可译为可靠的,是指学术需要严谨。陈震严格要求学生实验与理论的严谨准确,贴在实验室门口的名言不断警醒着进门的学生们。陈震曾经思考过,“一个新的实验现象出现几次可以确定是真的?”一次是误差,第二次也是误差,那么第三次,第四次,甚至更多次呢?“反复验证就是追求真理。”

对于陈震想要传承的学术精神,他的博士生董铭豪深有体会。在他的印象里,陈震老师经常说:“当引入一项新的理论模型或者实验数据的时候,在让别人相信之前,我们必须使自己完全信服。所以我们需要不断的证伪,去否定它,直到最后,我们完全相信它是对的,我们才能够去使用它。”

董铭豪进入研究生阶段开始研究辐射制冷效果与环境湿度的关系。这其中最关键的数据之一是湿度,二人首先调用了某气象局在实验地区的气象数据。数据拿到之后董铭豪便开始埋头分析。陈震却思考如何保证拿到的数据是准确的。他们又分析了其他来源的同地区气象数据,经过对比发现相差甚远。陈震便建议学生自己买来一个湿度计进行测试,从而找出最为可靠的数据来源,就在对比之后董铭豪准备相信那个与自己测试数据一致的数据来源时,陈震却认为他应该再去买一个不同品牌不同厂家的湿度计重复验证。最后,这项研究发表在美国光学协会旗下的权威学术期刊Optics Express,博士生董铭豪为第一作者,陈震为通讯作者。这项研究证明了辐射制冷技术在高温高湿度环境下依然有不错的制冷效果,刷新了人们对辐射制冷技术应用前景的认识,为辐射制冷技术的推广提供了有力支持。(赵博雅)


【人物简介】

陈震教授2014年于加州大学伯克利分校机械工程系获得博士学位,随后在斯坦福大学电子工程系进行博士后研究。2016年破格入选国家级引进人才,并全职加入胜游官网机械学院。陈震教授的科研主要围绕新能源、淡水、芯片散热等问题展开,目前承担国家自然基金、科技部重点研发计划等课题,并与华为(海思)合作进行芯片的热测试与热设计。分别在机械学院和吴健雄学院开设全英文研究生课程以及本科生研讨课,将科技前沿融入到教导中,拓宽了学生的视野。编写的英文专著《Applied Thermal Measurements at the Nanoscale》由World Scientific Publishing Co.于2018年出版,已收录在美国纳米科学系列讲座教材中。

 

【院系荐语】

陈震教授潜心于制冷技术的创新研究,精耕细作,收益颇丰。他的科研成果是神奇的,也许有点让人看不明白,而他的科研之路,却一点也不神奇,甚至是可以复制的。也许有人会说,他得益于胜游、伯克利和斯坦福等多所名校的教育,其实,他更得益于止于至善的人生态度和求真务实的科学精神。从胜游出发,远渡重洋,再回胜游,做个教书匠,这条螺旋式上升的科研之路,完美地诠释了“传承·分享·感恩”的院训,也完美地展示了一颗赤诚的中国心在科学阶梯上的攀登过程!——机械工程学院党委书记  张志胜