鄭泉水(清華大學教授)

鄭泉水(清華大學教授)

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鄭泉水，1961年3月出生於江西省金谿縣滸灣鎮。1989年獲得清華大學固體力學專業博士學位（導師為黃克智院士）。曾任清華大學工程力學系系主任、校學術委員會秘書長。曾任中國力學學會旗艦雜誌《力學學報》和Acta Mechanica Sinica主編、中國力學學會學會副理事長。曾擔任南昌大學高等研究院創辦院長、清華大學-以色列特拉維夫大學XIN中心創辦主任。

鄭泉水興趣集中在結構超滑（近零摩擦、零磨損）、極端疏水、和人工智慧張量底層技術的基礎研究和源頭創新技術開發，以及拔尖創新型學生的培養。尤其是他在結構超滑領域突破性工作，被評價為“立刻將這個現象的研究從學術興趣轉化到實際套用”，“極大地影響和推進我們的摩擦學領域”。

現為清華大學教授，博士生導師。

基本介紹

人物經歷,學術兼職,研究領域,早年研究,重點領域,學術成果,教育教學,人物榮譽,

人物經歷

1977年恢復高考後首屆大學生（江西工學院，現南昌大學），1982江西工學院工業與民用建築專業工學學士學位；
1982-93年作為江西工業大學（現南昌大學）土建系教師，先後任工程力學助教（1983）、副教授（1987）和教授（1992）；
1983-85年北京大學套用數學專業在職碩士進修（導師為已故郭仲衡院士）；
1985年獲湖南大學固體力學專業碩士學位（導師為楊德品和熊祝華教授）；
1989年直接申請並獲得清華大學固體力學專業博士學位（導師為黃克智院士）。
1990-1993訪問英、德、法國，先後擔任英國皇家學會研究員、德國洪堡基金會研究員、和歐洲研究員；
1993年5月至今清華大學航天航空學院工程力學系教授（1994年任博士生導師；2004-2011年間擔任系主任；2004-2015年間擔任航院學術委員會主任）、教育部長江特聘教授（2000-）
2009年起擔任清華學堂錢學森班創辦首席教授；
2010年起擔任清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心創辦主任。1982-1993江西工業大學土建系任教，歷任助教（1983）、副教授（1987）、教授（1992）

學術兼職

鄭泉水曾分別作為英國皇家研究員（1990)、洪堡研究員（1991）、客座教授等，在英國Nottingham大學力學系、德國Aachen理工大學材料研究所、法國Grenoble力學研究所、美國加州大學Riverside校區機械系、紐西蘭Auckland大學工程科學系，以及台灣成功大學土木系、香港理工大學機械系等工作訪問了5年多。
鄭泉水
2007-2009澳大利亞Monash大學機械與宇航工程系雙聘教授；
2007-2011《固體力學學報》和Acta Mechanica Solida Sinica主編；
2007-2015南昌大學高等研究院創辦院長；
2009至今國家基礎學科拔尖學生培養試驗計畫暨清華學堂人才培養計畫錢學森班（TEEP）創辦首席教授
2010至今清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心（CNMM）創辦主任；
2011-2015《力學學報》和Acta Mechanica Sinica主編，中國力學學會副理事長；
2014-2015清華大學-以色列特拉維夫大學XIN Center創辦主任；
2018至今深圳清華大學研究院超滑技術研究所創辦所長；
他還兼力學學報、套用數學和力學、力學進展、力學季刊和國際套用力學和工程等期刊的編委、常務編委、副主編等職。
經學校批准，於2016年底創立北京清正泰科技術有限公司，並獲得社會投資入股，以期加速結構超滑技術的產業套用。

研究領域

早年研究

1980年代從事理性力學、非線性連續介質力學，尤其是有限變形轉動有關的各種問題的研究，解決了140多年未能解決的Cauchy平均轉動問題。
1990年代前期為現代張量函式表示理論及其套用基礎的建立，作出國際公認的決定性貢獻，使得該領域面貌全新，並由此獲得國內外諸多榮譽。
1990年代後期致力於非均勻和各向異性材料的力學，建立了新的細觀力學方法（IDD方法），並套用於材料損傷與失效、各向異性材料尤其是複合材料的本構方程、高分子材料及軟組織不可逆大變形等問題。
2000年開始研究納米力學，在多壁碳納米管作為十億赫茲振盪器等方面作出了開創性成果，受到國際科學界和公眾的廣泛關注。共發表了100多篇期刊學術論文，主持了20餘項研究項目。

重點領域

1.結構超滑
摩擦和磨損涉及力學、材料、物理、化學等基礎學科和機械、能源、環境、醫療等工程技術，對經濟和人類社會影響巨大。據統計，全球約25%的一次性能源浪費在摩擦過程中，80%的機械部件損壞來自於磨損（單此一項就導致工業化國家經濟損失約占GDP的5%～7%）。對未來影響更大的是，摩擦磨損使得許多夢寐以求、潛力無限的高端技術無法實現。
有沒有可能實現近零摩擦和磨損呢？1983年科學家第一次預測在范德華層狀材料（如石墨、二硫化鉬等）的層間有可能實現這樣一種狀態，稱之為結構超滑（Structural Superlubricity）。2004年荷蘭J. Frenken研究組首次在納米尺度實現了結構超滑，但認為無法在更大尺度實現。經過近十年的研究[1，2]，2012年清華大學鄭泉水研究組實現了微米尺度的結構超滑[3-5]，“立刻將該現象的研究從學術興趣轉到了實際套用”（荷蘭科學院院士J. Frenken評論）。最近，鄭泉水等還實現了穩定的結構超滑[6]，應Nature雜誌邀請撰寫發表該領域的未來發展趨勢[7]。
在結構超滑領域，鄭泉水研究團隊和國內外多學科以及產業界研究團隊一起合作，目前正致力於如下兩方面的研究：（a）創建可用於1微米到1厘米尺度區間結構超滑研究的理論模型、計算方法和實驗技術和設備，儘快實驗實現毫米尺度以上的結構超滑；（b）利用已經實驗實現的微米尺度結構超滑，發明創造有重大套用潛力的原創技術。
這些研究，在清華大學的全方位支持下，獲得了國家科技部、國家自然科學基金委、北京市政府、深圳市政府、以及美國唐仲英基金會等的大量基礎研究和技術研發經費或捐款的資助。
2.極端疏水
結構超滑的深層物理機制，源於范德華固體介質界面間的極低相互作用以及其界面的光滑。有沒有可能在固-液界面間也形成極低的粘附呢？現實中我們常見的是，儘管風聲呼呼，下雨天高速行駛汽車玻璃上的小水滴卻很難被吹走；而在自然界，小水滴卻不僅能在荷葉表面上滾來滾去，還能同時帶走荷葉表面上的髒物，這是因為荷葉和水滴接觸區固-液界面間存在著極低的粘附！這個所謂的荷葉效應，稱作為超疏水（Superhydrophobicity），其機理的揭示是1997年人們首次觀察到了荷葉表面的微納結構，使得水滴僅僅能接觸到很小比例的表面面積。
由於在能源、環境、生物、醫療、微流晶片等諸多重大領域有著極其廣泛且重要的潛在套用，超疏水受到了廣泛關注和大量研究，但遺憾的是，由於普遍存在的結構和濕潤狀態的不穩定性，使得超疏水真正走向可靠的實際套用充滿挑戰。
鄭泉水和合作者於2005年率先揭示了壓力作用下材料表面微納米尺度結構對濕潤狀態不穩定性的影響[8]；最近，又首次實驗發現對於特定的微納米表面結構，超疏水濕潤狀態可以穩定存在[9]，突破了人們的長久以來認為該穩定狀態不存在的認識，並從原理上揭示了在實現極端接觸角（指接近180°的接觸角）、結構和濕潤狀態穩定性方面，表面微結構尺度都起到至關重要的作用[8-10]。在這些研究基礎上，鄭泉水課題組致力於實現可實際套用的極端疏水（指具有穩定的極端接觸角的超疏水性）表面的力學機理和材料製備研究。
這些研究，獲得了國家自然科學基金委長期資助，並與美國IBM、波音、Schlumberger，挪威Statoi，法國EDF等國際公司合作。
3.人工智慧張量底層技術
從1985年開始的十多年間，鄭泉水投入了主要研究精力用於高階張量及非線性、各向異性張量函式的研究[11]，建立了現代張量函式表示理論[12]，構築了其作為材料本構方程不變性研究的一個關鍵理論基礎。這項成果被國際學術界用來建立了50多種非線性本構方程。
鄭泉水(清華大學教授)
自2000年後，鄭泉水的主要研究精力轉向了結構超滑和極端疏水領域，擱置了看上去一時還難有直接的關鍵技術套用的高階張量等理論問題。出乎意料的是，最近數年，人工智慧技術發展到了一個突然間好像到處可用的階段，而人工智慧的底層算法，無不涉及十分複雜的高階張量[20]。
自2017年開始，鄭泉水課題組開始與人工智慧企業合作，進行高階張量理論套用於人工智慧底層技術的探索。

學術成果

[1] Zheng, Q.-S., Jiang, Q.: Multiwalled carbon nanotubes as gigahertz oscillators. Physical Review Letters 88, 045503 (2002).
[2] Zheng, Q.-S. et al.: Self-retracting motion of graphite microflakes. Physical Review Letters 100,.067205 (2008).
[3] Liu, Z. et al.: Observation of microscale superlubricity in graphite. Physical Review Letters 108, 205503 (2012).
[4] Yang, J. et al.: Observation of high-speed microscale superlubricity in graphite. Physical Review Letters 110, 255504 (2013).
[5] Zhang, R. et al.: Superlubricity in centimetres-long double-walled carbon nanotubes under ambient conditions. Nature Nanotechnology 8, 912-916 (2013).
[6] Song, Y. et al.: Robust microscale superlubricity in graphite/hexagonal Boron Nitride layered heterojunctions. Nature Materials 17, 894–899 (2018).
[7] Hod, O. et al.: Structural superlubricity: Frictionless motion across the length-scales. Nature (in print)
[8] Zheng, Q.-S. et al.: Effects of hydraulic pressure on the stability and transition of wetting modes of superhydrophobic surfaces. Langmuir 21, 12207-12212 (2005).
[9] Li, Y.-S., et al.: Monostable superrepellent materials. PNAS 114, 3387–3392 (2017).
[10] Zheng, Q.-S. et al.: Small is beautiful, and dry. Science China - Physics, Mechanics & Astronomy 53, 2245–2259 (2010).
[11] Zheng, Q.-S.: On transversely isotropic, orthotropic and relative isotropic functions of symmetric tensors, skew-symmetric tensors and vectors: Parts I – V. International Journal of Engineering Science 31, 1399-1409; 1411-1423; 1425-1433; 1435-1443; 1445-1453 (1993).
[12] Zheng, Q.-S.: Theory of representations for tensor functions — A unified invariant approach to constitutive equations. Applied Mechanics Review 47, 545-587 (1994).

教育教學

鄭泉水教授對創新人才教育和培養有極濃厚的興趣，並投入大量時間進行思考和實踐。2009年至今擔任清華學堂人才培養計畫錢學森班創辦首席教授。自此為回答“錢學森之問”，為培養創新型人才不斷探索、思考和實踐。
作為學者和博士生導師，長期鼓勵研究生挑戰難題、勇於開拓，所指導的博士生中有3人獲得全國優秀博士學位論文。

人物榮譽

1987 國家教委優秀青年教師基金
1988 江西省有突出貢獻的專業技術人員稱號
1990 中國力學學會青年科技獎
1990 中國科學技術協會青年科技獎
1993 國家教委科技進步獎三等獎（第一獲獎人），項目：變形體的轉動理論和套用
1994 首屆國際工程科學聯合會和國際工程科學雜誌傑出論文獎 （Distinguished Paper Award）
1994 國家教委優秀青年教師基金
1994 國家教委科技進步獎一等獎（單人），項目：張量函式表示理論及材料的本構方程不變性研究
1995 國家傑出青年科學基金A類
1996 中國青年科學家（數理獎）
1996 橫山亮次優秀論文獎〖日本〗
1998 國家有突出貢獻的中青年專家
2000 教育部長江特聘教授
2004 國家自然科學二等獎（第一獲獎人），項目：張量函式表示理論與材料本構方程不變性研究
2005 國家級教學成果獎二等獎，項目：高水平創新性博士培養模式與實驗
2008 教育部自然科學一等獎（第一獲獎人），項目：碳納米材料和器件的力學與機理創新研究
2017 國家自然科學二等獎（第一獲獎人），項目：范德華層狀介質的滑移行為和力學模型
2018 國家級教學成果獎一等獎，項目：激發學術志趣、培養領跑人才—“學堂計畫”拔尖創新人才培養模式探索與實踐“

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