郑泉水,1989年获清华大学博士学位,现为清华大学教授。2009年起担任清华学堂钱学森班创办首席教授;2010年起担任清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心创办主任。曾任清华大学工程力学系系主任、校学术委员会秘书长。曾任中国力学学会旗舰杂志《力学学报》和Acta Mechanica Sinica主编、中国力学学会学会副理事长。曾担任南昌大学高等研究院创办院长、清华大学-以色列特拉维夫大学XIN中心创办主任。
郑泉水目前的兴趣集中在结构超滑(近零摩擦、零磨损)、极端疏水、和人工智能张量底层技术的基础研究和源头创新技术开发,以及拔尖创新型学生的培养。尤其是他在结构超滑领域突破性工作,被评价为“立刻将这个现象的研究从学术兴趣转化到实际应用”,“极大地影响和推进我们的摩擦学领域”。在这些领域,他获得过国家自然科学奖二等奖两次(2004,2017,均为第一获奖人),国家级教学成果二等奖和一等奖各一次(2005,2018)。所指导的博士生中有三名获得了全国优秀博士学位论文。

教育背景

1982 江西工学院工业与民用建筑专业工学学士学位
1983-1985 北京大学数学系应用数学专业在职硕士进修生(导师:郭仲衡院士)
1985 湖南大学工程力学系固体力学专业工学硕士学位(导师:熊祝华教授、杨德品教授)
1989 清华大学工程力学系固体力学专业工学博士学位(导师:黄克智院士)

工作履历

1982-1993 江西工业大学土建系任教,历任助教(1983)、副教授(1987)、教授(1992)
1990-1993 访问英、德、法国,先后担任英国皇家学会研究员、德国洪堡基金会研究员、和欧洲研究员
1993至今 清华大学航天航空学院工程力学系教授(2004-2011年间担任系主任;2004-2015年间担任航院学术委员会主任)、教育部长江特聘教授(2000-)

学术兼职

2007-2009 澳大利亚Monash大学机械与宇航工程系双聘教授
2007-2011 《固体力学学报》和Acta Mechanica Solida Sinica主编
2007-2015 南昌大学高等研究院创办院长
2009至今 国家基础学科拔尖学生培养试验计划暨清华学堂人才培养计划钱学森班(TEEP)创办首席教授
2010至今 清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心(CNMM)创办主任
2011-2015 《力学学报》和Acta Mechanica Sinica主编,中国力学学会副理事长
2014-2015 清华大学-以色列特拉维夫大学XIN Center创办主任
2018至今 深圳清华大学研究院超滑技术研究所创办所长

研究领域

1.结构超滑
摩擦和磨损涉及力学、材料、物理、化学等基础学科和机械、能源、环境、医疗等工程技术,对经济和人类社会影响巨大。据统计,全球约25%的一次性能源浪费在摩擦过程中,80%的机械部件损坏来自于磨损(单此一项就导致工业化国家经济损失约占GDP的5%~7%)。对未来影响更大的是,摩擦磨损使得许多梦寐以求、潜力无限的高端技术无法实现。

有没有可能实现近零摩擦和磨损呢?1983年科学家第一次预测在范德华层状材料(如石墨、二硫化钼等)的层间有可能实现这样一种状态,称之为结构超滑(Structural Superlubricity)。2004年荷兰J. Frenken研究组首次在纳米尺度实现了结构超滑,但认为无法在更大尺度实现。经过近十年的研究[1,2],2012年清华大学郑泉水研究组实现了微米尺度的结构超滑[3-5],“立刻将该现象的研究从学术兴趣转到了实际应用”(荷兰科学院院士J. Frenken评论)。最近,郑泉水等还实现了稳定的结构超滑[6],应Nature杂志邀请撰写发表该领域的未来发展趋势[7]。
在结构超滑领域,郑泉水研究团队和国内外多学科以及产业界研究团队一起合作,目前正致力于如下两方面的研究:(a)创建可用于1微米到1厘米尺度区间结构超滑研究的理论模型、计算方法和实验技术和设备,尽快实验实现毫米尺度以上的结构超滑;(b)利用已经实验实现的微米尺度结构超滑,发明创造有重大应用潜力的原创技术。
这些研究,在清华大学的全方位支持下,获得了国家科技部、国家自然科学基金委、北京市政府、深圳市政府、以及美国唐仲英基金会等的大量基础研究和技术研发经费或捐款的资助。

2.极端疏水

结构超滑的深层物理机制,源于范德华固体介质界面间的极低相互作用以及其界面的光滑。有没有可能在固-液界面间也形成极低的粘附呢?现实中我们常见的是,尽管风声呼呼,下雨天高速行驶汽车玻璃上的小水滴却很难被吹走;而在自然界,小水滴却不仅能在荷叶表面上滚来滚去,还能同时带走荷叶表面上的脏物,这是因为荷叶和水滴接触区固-液界面间存在着极低的粘附!这个所谓的荷叶效应,称作为超疏水(Superhydrophobicity),其机理的揭示是1997年人们首次观察到了荷叶表面的微纳结构,使得水滴仅仅能接触到很小比例的表面面积。
由于在能源、环境、生物、医疗、微流芯片等诸多重大领域有着极其广泛且重要的潜在应用,超疏水受到了广泛关注和大量研究,但遗憾的是,由于普遍存在的结构和湿润状态的不稳定性,使得超疏水真正走向可靠的实际应用充满挑战。
郑泉水和合作者于2005年率先揭示了压力作用下材料表面微纳米尺度结构对湿润状态不稳定性的影响[8];最近,又首次实验发现对于特定的微纳米表面结构,超疏水湿润状态可以稳定存在[9],突破了人们的长久以来认为该稳定状态不存在的认识,并从原理上揭示了在实现极端接触角(指接近180°的接触角)、结构和湿润状态稳定性方面,表面微结构尺度都起到至关重要的作用[8-10]。在这些研究基础上,郑泉水课题组致力于实现可实际应用的极端疏水(指具有稳定的极端接触角的超疏水性)表面的力学机理和材料制备研究。
这些研究,获得了国家自然科学基金委长期资助,并与美国IBM、波音、Schlumberger,挪威Statoi,法国EDF等国际公司合作。

3.人工智能张量底层技术

 从1985年开始的十多年间,郑泉水投入了主要研究精力用于高阶张量及非线性、各向异性张量函数的研究[11],建立了现代张量函数表示理论[12],构筑了其作为材料本构方程不变性研究的一个关键理论基础。这项成果被国际学术界用来建立了50多种非线性本构方程。
自2000年后,郑泉水的主要研究精力转向了结构超滑和极端疏水领域,搁置了看上去一时还难有直接的关键技术应用的高阶张量等理论问题。出乎意料的是,最近数年,人工智能技术发展到了一个突然间好像到处可用的阶段,而人工智能的底层算法,无不涉及十分复杂的高阶张量[20]。
自2017年开始,郑泉水课题组开始与人工智能企业合作,进行高阶张量理论应用于人工智能底层技术的探索。

创新教育
郑泉水教授对创新人才教育和培养有极浓厚的兴趣,并投入大量时间进行思考和实践。2009年至今担任清华学堂人才培养计划钱学森班创办首席教授。自此为回答“钱学森之问”,为培养创新型人才不断探索、思考和实践。
作为学者和博士生导师,长期鼓励研究生挑战难题、勇于开拓,所指导的博士生中有3人获得全国优秀博士学位论文。

下面两篇论文,较系统性地反映了他近期关于拔尖创新人才培养的一些思考。
郑泉水:论创新型工科的力学课程体系,力学与实践,2018,40:194-202.

摘要:进入21世纪,创新被国家置于全局发展的核心位置,如何培养技术创新拔尖人才,既是钱学森之问,更是时代之问。力学的技术科学或工程科学属性,内在地决定了它能够、并且应该在回答钱老之问时,起到基础性的作用。基于这个使命,清华大学于2009年设立了定位于工科基础,同属清华学堂人才培养计划暨国家拔尖人才培养计划的钱学森班。作为负责钱学森班的首席教授,我在本文里首先论证三个基本观点:1)力学同时拥有定量化“基因”和技术创新“基因”;2)前者在以往发展得很好,后者却相对发育不良;3)这种发展不平衡有可能正是近30年来力学遭遇较大困境的内在根源,并且影响到工科创新。接下来,在简要介绍钱学森班的培养方案和实践案例的基础上,力图表明:以“通过研究学习”为牵引,可以构建一个大幅删减总课时要求却同时加强基础科学地位的课程体系,以激发学生的强烈学术志趣、有效实现对技术创新基因的强化。实践证明,这个培养模式受到了学生们的热烈欢迎和诸多学科导师的认可。最后,对力学面向未来技术创新的关键发展方向,进行了探讨。
关键词:创新型人才培养、工科基础、力学的基因、通过研究学习、课程体系。
全文链接:http://lxsj.cstam.org.cn/CN/abstract/abstract146866.shtml#

郑泉水:“多维测评”招生:破解钱学森之问的最大挑战,中国教育学刊,2018,5:36-45
摘要:进入21世纪后,互联网和人工智能等新兴技术,正加速将人类带近到从未面临过的一个“奇点”[1]:智力被非人类全面超越,导致对教育的核心需求产生了千百年来最大的一次变化:从知识传授转为创新能力培养,且这一转变到来的速度和范围都远远超过预期,从而,破解“钱学森之问”迅速成为最急迫的国家战略性挑战之一。创建于2009年的清华大学钱学森班,是“国家拔尖创新人才培养计划”中唯一定位于工科基础的实验班。作为负责该班建设的首席教授,作者在本文主要以实践案例说明:1)破解钱学森之问的最大挑战,同时也是最关键的一环,是高校如何在保障公平性的基础上,实现按创新人才的标准进行招生;2)目前的高校招生体系主要测评学生对知识的掌握这个单一维度(简称学习力,主要综合反映了学生的部分智力和投入),不仅无法完成选拔创新人才的任务,而且对国家教育资源造成巨大浪费并对亿万孩子带来终身伤害,因此,采用能够有效反映创新所需全面素养的多维测评招生体系选才不仅极其迫切,也十分必要;3)目前已经基本具备实现多维测评招生体系的可能性,如已举办的三届(2013、2017、2018)“钱学森班创新挑战营”,就成功地实施了一个五维度(内生动力、开放性、坚毅力、学习力和领导力等)测评,成效显著;4)“通过研究学习”不仅是创新型人才培养的“最好”途径,也是实施多维测评系统的关键抓手。最后,本文提出了一个构建于当前高考体系基础之上,借助于大数据,依托高校-中学联动体系,从国家最急需的高端创新人才选拔与培养开始的多维测评招生改革试点建议。
关键词:创新人才;高校招生体系;多维度测评;通过研究学习;试点建议
全文链接:http://www.jcse.com.cn/CN/Y2018/V0/I5/36

技术创业

经学校批准,于2016年底创立北京清正泰科技术有限公司,并获得社会投资入股,以期加速结构超滑技术的产业应用。


奖励与荣誉

1987 国家教委优秀青年教师基金
1988 江西省有突出贡献的专业技术人员称号
1990 中国力学学会青年科技奖
1990 中国科学技术协会青年科技奖
1993 国家教委科技进步奖三等奖(第一获奖人),项目:变形体的转动理论和应用
1994 首届国际工程科学联合会和国际工程科学杂志杰出论文奖 (Distinguished Paper Award)
1994 国家教委优秀青年教师基金
1994 国家教委科技进步奖一等奖(单人),项目:张量函数表示理论及材料的本构方程不变性研究
1995 国家杰出青年科学基金A类
1996 中国青年科学家(数理奖)
1996 横山亮次优秀论文奖〖日本〗
1998 国家有突出贡献的中青年专家
2000 教育部长江特聘教授
2004 国家自然科学二等奖(第一获奖人),项目:张量函数表示理论与材料本构方程不变性研究
2005 国家级教学成果奖二等奖,项目:高水平创新性博士培养模式与实验
2008 教育部自然科学一等奖(第一获奖人),项目:碳纳米材料和器件的力学与机理创新研究
2017 国家自然科学二等奖(第一获奖人),项目:范德华层状介质的滑移行为和力学模型
2018 国家级教学成果奖一等奖,项目:激发学术志趣、培养领跑人才—“学堂计划”拔尖创新人才培养模式探索与实践“

学术成果

[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).