名字写在世界科学史上的科学家

葛庭燧,1913年出生于山东省蓬莱县大葛家村。1953年任金属所金属物理室主任。1955年当选中国科学院学部委员。1962年任中国科学院金属研究所副所长。1979年12月加入中国共产党,实现了多年的宿愿。

1981年奉调安徽合肥,筹建中国科学院固体物理研究所,并任第一任所长。1982年他的内耗和疲劳研究成果获国家自然科学三等奖。1989年获Zener奖。1996年获桥口隆吉奖和何梁何利奖。1999年获美国TMS梅尔奖。2000年被中国科学院推荐为国家最高科学技术奖候选人,不幸因病于4月29日在合肥逝世。

葛庭燧1943年获博士学位后,应邀到MIT从事光谱研究。1945年9月,美国著名物理学家Zener教授到MIT为新组建的芝加哥大学金属研究所***人员,并作题为“金属中的滞弹性与内耗(Anelasticity and Internal Friction in Metals)”的学术报告,葛庭燧被报告的内容深深吸引,他认识到这是一个新兴的科学领域,决定从事这方面的研究。

1945年11月葛庭燧应聘到芝加哥大学金属研究所工作。

Zener教授从理论上预测多晶金属应有晶界内耗峰。他让葛庭燧做这方面的实验工作。葛庭燧查看了前人的多晶内耗工作,都是在声频范围(20Hz-20kHz)内进行的,他经过分析认为,前人没有观察到内耗峰可能是频率太高。

于是,他决定设计和制作一台低频(20Hz以下)内耗测量装置。但Zener教授并不看好,认为外耗可能太大。葛庭燧想到在清华大学做物理实验时曾用扭摆测量金属杆的切变模量,扭摆的频率可以通过调整转动惯量和试样尺寸来改变,试样自由振动时的振幅衰减可用来测量内耗。他用一些简单和廉价的元件制作了世界上第一台“扭摆内耗仪”,用于低频内耗的测量。

葛庭燧发明的扭摆仪使内耗在低频范围内的测量成为可能。1947年,他将有关扭摆装置的论文发表后,各国科学工作者纷纷采用,使得许多重要内耗现象被发现,极大地推动了内耗研究领域的发展。英国著名的物理冶金学家C a h n教授称“扭摆内耗仪”为“战后最天才的发明”,在国际文献上也被称为“葛摆”(Kê pendulum),并作为词条收录在由R·祖贝主编的《英徳法俄汉物理学辞典》中。

多年以来,用扭摆测量内耗的仪器已经有了许多改进,例如后来有人将“正扭摆”改为“倒扭摆”、利用光电记录进行振幅测量等,但它的基本形式仍然保持了原始扭摆的设计。

1945年葛庭燧在芝加哥大学金属研究所工作时,该所正在筹建中,百废待兴,连一间实验室都没有。他在学校旧体育馆的地下室找到一间房子,搭建了一个简易的实验室,制作了扭摆,这个扭摆能否用来测量内耗是他面临的最大挑战。首先是需要一根金属试样,他翻遍了地下室里的抽屉,找到了一根几十厘米长、直径约1毫米的铝丝,经退火后,装入他的扭摆中,开始了内耗的测量。

1946年的冬天,芝加哥的天气很寒冷,葛庭燧在这间简陋的实验室里利用自己制作的扭摆不分昼夜地进行内耗测量,终于在多晶纯铝试样中在2 8 5℃左右观察到一个内耗峰,测量频率为1Hz。随后,他用单晶纯铝试样在同样的条件下进行了内耗测量,没有观察到内耗峰,说明这个285℃的内耗峰是多晶中的晶界引起的。

葛庭燧根据晶界内耗的实验结果,提出晶界是一种黏滞性物质,在切应力的作用下产生应力弛豫,引起滞弹性内耗。一个单独晶界产生的能量消耗正比于相对位移×切应力。当温度很低时,黏滞系数很高,滑动很小,内耗很低;温度很高时,黏滞系数很低,跨过晶界的切应力可以完全弛豫,内耗也很低。

只有在一定的温度下,内耗才能达到最大值。葛庭燧认定他在多晶纯铝中所看到的内耗峰是晶界应力弛豫引起的。他测出晶界弛豫的激活能为34.5千卡/克分子(1.5eV),与铝的自扩散和蠕变激活能基本一致。他还算出了晶界黏滞系数随温度变化的数学表达式,并外推出铝的熔点,与实验值吻合。据此,他提出晶界的无序原子群模型。

葛庭燧1949年底从美国回来后,决心在祖国的土地上发展内耗研究。从1953年到金属所开始内耗研究到2000年逝世,他的研究工作大致可分为以下几个阶段:

开展了面心立方金属中碳原子扩散引起的内耗、马氏体相变引起的内耗、金属中氢扩散引起的内耗、铝-铜合金中的反常内耗、蠕变过程中的内耗等研究。部分研究成果1956年获国家自然科学奖二等奖。

这段时期,葛庭燧先是开展了铜晶须、铝-铜和铝-镁合金中溶质原子与位错交互作用内耗、蠕变过程中的内耗研究,以及“金属疲劳物理原理”的研究。19 62年广州会议后,葛庭燧制定了雄心勃勃的内耗研究计划,遗憾的是,1966年初开始的“文化大革命”终止了一切。

葛庭燧的内耗研究工作因政治运动被迫终止,但他并没有停止钻研,而是寻找其他途径发挥作用,为国家做贡献:他参加沈阳市劳动模范发起的技术协作活动,为工人作科普讲座,与劳动模范和老工人一起为工厂解决技术难题。他先后到过辽宁省的4 0多个工厂,总结了30多个急需解决的技术难题,其中包括金属无损探伤技术的普及和发展。

他先后书写和出版了《声发射》(科学出版社,19 72)、《全息照相与无损检测》(科学出版社,1973)和《磁粉探伤基础》(辽宁人民出版社,1975)。

1976年金属所恢复了内耗实验室,葛庭燧在与外界多年的隔绝后,开始了与国外的联系和合作。他带领三位曾在他手下从事过内耗研究的人员去德国合作,学习自动化扭摆的设计和制作。回国后,在实验室建立了计算机控制和记录的自动化扭摆,获中科院技术开发一等奖。

1981年葛庭燧奉调安徽合肥,筹建中国科学院固体物理研究所,任第一任所长,组建了“内耗与固体缺陷开放实验室”。他通过大量实验,澄清和回答了国外学者对晶界内耗峰的质疑;对溶质原子与位错交互作用引起的内耗进行了深入的实验和理论研究,建立了非线性滞弹性的理论框架。

研究成果获中科院自然科学奖一等奖。此外,他最早开展纳米材料与技术的研究,取得令人瞩目的成绩。葛庭燧计划写三本书:晶界内耗、非线性滞弹性内耗和内耗科普知识。遗憾的是,他刚写完第一本“固体内耗理论基础-晶界弛豫与晶界结构”,还未来得及出版,就不幸离世了。

师昌绪院士曾称赞说“葛庭燧到哪里,哪里就会开花结果。”

葛庭燧科学成就的国内外评价与反响

扭摆内耗仪和晶界内耗峰的成果发表后,世界各地纷纷前来参观和学习,提高了新建研究所的声誉。Mott教授给Zener教授来信说,“你的中国同事做了一件很好的工作”。1948年Mott教授根据葛庭燧1947年发表的内耗研究结果,提出了“小岛”晶界模型。

Mott教授和葛庭燧的晶界模型是两个最早提出的大角晶界模型。McLean指出,在关于晶界看法的发展史中,这两个模型占着重要的位置。葛庭燧的研究结果于1947年发表后,Zener教授随即于1948年出版了他的经典名著《金属的弹性和滞弹性》,书中详细引证了葛庭燧的研究结果。

正是葛庭燧的研究结果,奠定了滞弹性内耗理论的实验基础,因而他被国际上公认为内耗和滞弹性领域的奠基人之一。

1949年,King和Chalmers在《金属物理进展》一书中用很大的篇幅介绍了葛庭燧的工作,称葛庭燧的工作是在小形变下,晶界黏滞性质的最完整的系列实验,这是一个重大突破。

1954年,苏联翁索夫斯基院士主持翻译的《金属的弹性和滞弹性》一书中16篇论文中的11篇是葛庭燧单独发表的论文。19 57年,苏联的《金属物理与金属学》杂志又把葛庭燧在1953-1956年在金属所发表的《碳在面心立方金属中的扩散》、《内吸附》和《氢分子在高铬镍合金中的扩散》三篇文章翻译成俄文。葛庭燧在1956年访问苏联时受到热烈欢迎。

1957年,McLean在他的名著《金属的晶粒间界》一书中,特辟一章来介绍葛庭燧的实验装置和实验方法。他说葛庭燧是把扭摆和扭转线圈装置融入一体的人,把这个装置命名为“葛氏扭摆”是公正的。

1972年出版的Nowick的专著《晶态固体中的滞弹性弛豫》被誉为“内耗的圣经”,书中用专门的章节大段介绍了葛庭燧的工作。

葛庭燧因其科学成就,一生中获得过许多奖,包括国家自然科学奖二、三等奖,何梁何利奖,内耗领域最高奖-Zener奖。1999年他获得了美国TMS梅尔奖,这是国际材料科学领域的最高奖,他是亚洲地区获这个奖的第一人。

葛庭燧获梅尔奖后,国内反映热烈,科学院领导发贺电贺信祝贺,《人民日报》海外版发表专文《登上世界领奖台》进行了报道。诺贝尔奖得主杨振宁教授也发贺信祝贺。贺信说:“看到《人民日报》海外版上5月7日的长文,说你荣获TMS之梅尔奖。

我要向你祝贺!60多年你对内耗问题的贡献,对培养中国材料科学人才的努力是大家都称赞不绝的。”葛庭燧说他十分重视杨振宁对他获奖的祝贺,表明他对中国科学发展的关怀和期望。葛庭燧说,这正是:本是同根生,落叶当归根,虽是不同路,殊途必同归。

热爱祖国和热爱人民,献身科学和追随革命

1992年8月18日,葛庭燧给安徽省《机关党建》题词说,“科学无国界,但科学家有祖国。真正的科学家必然是热爱祖国、热爱人民的。”这是对他自己的最好写照。

1928年在北京师范大学理预科读书时,同班同学孙志远使葛庭燧第一次知道了马克思主义,并读了《共产党宣言》,知道中国已经有了共产党。在清华大学读书期间,在地下党员胡乔木、武衡和章文晋等的影响下,葛庭燧参加了“一二·九”运动和党的外围组织“中华民族解放先锋队”。在燕京大学读研究生期间,葛庭燧以燕京大学作掩护装扮成牧师,通过封锁线,为晋察冀边区冀中军区送去无线电器材。

1949年10月1日,葛庭燧以芝加哥《留美科协》的名义,举行庆祝新中国成立大会,悬挂五星红旗,并联系34位清华校友给清华大学校务委员会主席叶企孙教授打电报祝贺。

1949年4月,葛庭燧收到在香港大学任教的曹日昌教授的一封信(曹是地下党员,是葛的清华同学),附来给钱学森的一封信,信中代表中共北方局邀请钱学森回国建设祖国的航空事业。葛庭燧当即把这封信转给当时在MIT任教的钱学森,并附去一封亲笔信。

葛庭燧在信中说,“以吾兄在学术上造诣之深及在国际上的声誉,如肯毅然回国,则将影响一切留美人士,造成早日返国致力建设之风气,其造福新中国者诚无限量。弟虽不敏,甚愿追随吾兄之后,返国服务。

弟深感个人之造诣及学术地位较之整个民族国家之争生存运动,实属无限渺小,思及吾人久滞国外,对于国内伟大的生存斗争犹如隔岸观火,辄觉凄然而自惭!”钱学森先生一直保存着这封信,1993年葛庭燧院士80诞辰时,钱先生在写给葛先生的信中说,“我永远也不能忘记是你引导我回到祖国的怀抱……”。

勤俭节约的习惯贯穿葛庭燧一生的生活,在国内是这样,在国外也是这样。“不乱花一个马克”是葛庭燧在德国工作期间经常讲的一句话。1979年他到德国斯图加特马普金属所作客座教授,带领三位助手同该所所长Seeger合作进行位错内耗的研究。

葛庭燧享受“国聘一级教授”的待遇,但他总是精打细算,一分一厘地积攒外汇。他的住处离研究所有较长一段距离,他总是乘公交车上下班。他经常告诫助手,“要勤俭节约,不乱花一个马克”。他多次出国,从没有为自己带回一件高档消费品,他用节省下来的钱资助公用。

葛庭燧的家风以生活俭朴著称,但他资助家乡却毫不吝啬。他为家乡买拖拉机、大骡子和马车等,资助家乡亲属修理和翻新房子。

六十年代,科技人员的工资一般都在38~56元,经济拮据,月底常要去财务科借钱,手续比较麻烦。葛

庭燧知道这一情况后,拿出一万元钱放在财务科,供大家临时借用。

葛庭燧多次拒绝接受礼物和馈赠。天津一家公司送给他一部汽车,他坚决不受,后来这部车留在固体物理所公用。他拒收金属所送给他的养生气瓶,拒收金属所给的兼职费。

葛庭燧是一个学者,也是一个战士,他经历了极左年代的凄风苦雨,一生的个人理想就是报效国家;他恪守“科学没有国界,但科学家有祖国”的格言,他是一个天才的、正直的、矢志不渝的科学家。他是科技工作者的楷模,他更是青年科技工作者学习的典范。