【访学归来】文通其:在美国能源部实验室的体验与感受

2018年01月09日 10:51  

【编者按】

为落实学校研究生教育“十三五”规划,培养具有国际视野、通晓国际规则、能够参与国际事务与国际竞争的创新复合型人才,加强我校与国(境)外高水平大学和研究机构的交流与合作,进一步提高我校研究生的培养质量,研究生院在近几年开展了“研究生短期出国(境)访学及开展创新实验项目”,资助优秀研究生到国(境)外高水平大学或研究机构,进行短期访学和开展创新实验。

访学期间,他们学到了什么?访学归来,他们有什么样的感受?西北工业大学研究生院将推出系列文章【访学归来】,从字里行间看NPUers的访学生活和感悟。

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我叫文通其,理学院2014级博士研究生,师从王楠教授。在学校研究生短期出国(境)访学及开展创新实验项目的资助下,我有幸于201611月前往美国能源部AMES实验室、爱荷华州立大学Cai-zhuang Wang教授的课题组进行了为期6个月的短期交流访学。这次的访学经历不仅使我学会了分子动力学模拟和分析的一些先进方法,建立了和对方课题组的科研合作关系,也使得我进一步了解了美国国家实验室的科研管理制度和工作模式。

爱荷华州立大学和AMES实验室概况

爱荷华州立大学坐落于爱荷华州的小城市Ames,离州首府得梅因40分钟车程,其全称为爱荷华州立科技大学,简称ISU,是一所理工类学校。1858年创立至今,ISU的规模日益壮大,如今共有学生36000多名,拥有10个学院和100多个专业。美国能源部AMES实验室就坐落在校园中,它是1947年由于其在生产高纯度铀中的突出表现被原子能委员会正式设立。据计算,曼哈顿计划中超过1000吨的高纯度铀原料都是由AMES生产的。AMES实验室涌现了许多科研巨匠:2011年凭借准晶的发现获得诺贝尔化学奖的Dan Shechtman教授就是AMES实验室的研究员,此外,获得2016年国家最高科学技术奖的赵忠贤教授也曾于1984年在AMES实验室进行访问研究。AMES实验室虽说是美国国家实验室中较小的一个,但是其在材料制备、凝聚态物理计算和新材料的预测和开发方面均处于世界领先地位。

寒冷却充满温暖的Ames

201611月,我在去美国的前几天把行程告诉了我的外方导师CZ Wang教授,并向他询问了一些交通方面的信息。CZ Wang教授是AMES实验室资深科学家(Senior Scientist)FWP负责人(Field Work Project leader)2014年当选美国物理学会会士(Fellow),发表SCI论文300余篇,总引用参数超过8000次,h因子45以上。所以当CZ Wang 教授主动提出开车来机场接我的时候,我真是感到受宠若惊,我给他回邮件也是“I’m flattered” CZ Wang教授非常和蔼、健谈,在路上他跟我介绍起沿途的风景以及爱荷华州和AMES实验室的背景故事。CZ Wang教授把我送到联系好的公寓,里里外外检查了一遍,嘱咐了我的室友几句之后才离开。当时,我倍感温暖,心里也暗下决心要认真完成研究工作,不辜负老师的关心。

科研方面,我在AMES实验室有两位指导教师,一位是KM Ho教授,另一位就是我的导师CZ Wang教授,他们二位在计算物理界都有着很高的声望。我们每周一次组会,氛围轻松惬意,大家都可以畅所欲言地汇报自己最新的进展并对他人的工作提出见解。除了课题组内部的讨论,我们课题组每天都会和其他实验、计算的课题组进行讨论、合作去完成一些课题。这种合作模式大大提高了科研产出的效率,据估算我们课题组平均每人每年以第一作者发表的文章数在3篇左右。在爱荷华州立大学,对课题组的项目审查首先是对论文数量有一个硬性要求,10万美元的预算对应至少一篇文章,其次再是考察高影响因子文章的数量。国家实验室不同于大学,课题组的唯一经费来源就是老师们申请的项目资金,虽然AMES实验室是由爱荷华州立大学管理的,但在经费上并没有什么交集,实验室要保证项目的延续和课题组的正常运转,就必须要有足够多、足够好的研究成果。

生活方面,Ames的纬度和国内长春差不多,所以我在Ames的半年是彻彻底底的冬天,气温最低的时候能达到零下30度。Ames最美的时间段是5月初到10月底,所以课题组的同学们开玩笑地说我刚好避开了Ames最美、最舒服的时间段。虽然天气比较寒冷,但导师和同学们的热情却时时刻刻温暖着我。感恩节的晚餐是我在美国享受到的最丰富的一顿,CZ Wang教授邀请课题组所有人去他家参加感恩节晚宴,每位都带了几道菜和大家一起分享,而CZ Wang教授作东给大家准备了火鸡。晚宴上,大家其乐融融,无所不谈,那只精心烹制的火鸡也是被一扫而光。

从实验到计算的转变

在国内,我的研究方向是利用激光熔凝的方法研究非晶的转变机制,当激光扫描速度超过临界值时,会发生晶体到非晶的转变。临界扫描速度的大小可以表征体系非晶形成能力的大小,而材料的宏观性质和其内部微观结构是密不可分的。因此,国内导师推荐我去CZ Wang教授课题组学习模拟计算,以此来支持实验结果并给实验室开发一个新方向。

刚到CZ Wang教授课题组的时候,我对模拟计算差不多是一窍不通,Linux系统和机群服务器的作业系统对我来说都很陌生。在课题组老师的帮助下,我熟练掌握了服务器的作业系统,并学会了写Linux shell的脚本来控制程序运行。随后,在CZ Wang教授的指点下,我正式开始了分子动力学模拟计算和分析方法的学习。在这个过程中,对我帮助最大的是课题组的博士后孙阳师兄。他开发并改进了短程序分析方法:Cluster Alignment Pair-wise Alignment,并耐心仔细地给我讲解了这些方法的物理本质、适用范围和操作流程。此外,在他的建议下,我自学了PYTHON语言,掌握了对文本和数据文件的处理方法。CZ Wang教授紧接着给了我几个课题,让我熟悉分子动力学计算和分析方法,主要的研究内容分为以下三部分:

1)对Ni-ZrNi-Nb二元非晶合金体系进行分子动力学模拟研究。为了得到更稳定的非晶合金样品,采用了在接近并低于非晶形成温度处进行长时间弛豫,随后冷却至室温的名为“Sub-Tgannealing”的方法。为了表征体系内部短程序状态,采用Cluster Alignment Pair-wise Alignment方法描述短程序随温度、冷速等变化。

2)和Dr. Mikhail Mendelev合作,拟合修正了Ni-Nb二元合金体系的EAM势函数。现在拟合的势函数在Ni3NbNi6Nb7成分间较为准确,而且考虑了化学有序度对能量的影响。此外,该势函数验证了Ni62Nb38成分附近晶相的缓慢生长,从而说明了其良好的非晶形成能力。

3)利用Metadynamics方法研究二元合金体系的结晶过程。Metadynamics可以加速在势能面上寻找极小值的速度,从而使液态能够更快地达到能量更低的晶态。

AMES实验室的这半年时间里,我不仅学习掌握了关于分子动力学计算和分析的先进方法,与对方实验室建立了科研合作关系,还了解了美国国家实验室的管理机制和工作模式。Ames这座小城市给了我许多美好的回忆,有白雪皑皑的安静、红绿灯随大风摇曳的狂放,也有临走时郁郁葱葱,万物生长的生机勃勃。这次访学之行已经结束,但对我来说也是一个新的开始。

衷心感谢学校给我这次机会进行为期半年的访学,这段经历对我的人生有着重大的影响。感谢研究生院主管老师对我们访学学生的关心与帮助,让我们在异国他乡也能感受到来自母校的温暖。感谢AMES实验室我的导师CZ Wang教授和其他老师、同学对我学习和生活上的指导与帮助,感谢我的导师王楠教授对我的大力支持。

 

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