在机械的世界里，每一个轮的转动、每一个u承的滑动Q都承蝲着动力学与摩擦学的无穷智慧。它们以_的节奏协同工作，展现?gu)然界的和谐与U序?/span>
随着U技的飞速发展，q些机械的部件被赋予?jin)更加艰巨的d。当机械讑֤|n于深L(fng)重压、太I的极端温差或是高速列车的剧烈摩擦之中Q如何确保它们的可靠性和E_性？如何在这些苛L件下l持机械pȝ的完和谐？随着人类的探寻逐渐深入微观度Q在微纳cxCQ两个几乎不接触的表面是否存在什么神U的力量从而媄(jing)响机械的q动Q在_֯的微道中，液体和气体是如何共存q相互作用，推动微流体技术的发展Q…?/span>
郭丹
在清华大学机械工E系研究员郭丹的研究世界里，q些看似普通其实蕴含奥妙的问题Q始l如石般吸引她M懈探索。在她的gQ科学不仅是知识的vz，更是?j)灵的归宿，?gu)以一颗简单、纯_V热q?j)，L着探烦(ch)机械世界的无I奥U。长此以往Q也L?jin)她以一颗简单纯_的?j)来对待周遭一切的?fn)惯。温婉的性格、爽朗的W声QL让h如沐春风Q亲切自然无距离Q无需华丽的辞藻，却散发出独特的魅力?/span>
扬v探烦(ch)的风?/span>
“给我一个支点，我将撬动整个地球。”阿基米L(fng)q句名言Q不仅道Z(jin)力学的无I魅力，也象征着知识的力量能够开启无限的可能。力学，作ؓ(f)一门揭C然界q作规律的科学，寚w丹而言Q既是专业选择Q也是她对世界好奇探索的L(fng)?/span>
郭丹的成长之路，是一条由爱铺q旅程。她的父Ԍ一位毕业于西安交通大学（以下Uͼ(x)“西安交大”）(j)材料pȝ学者，以他独特的h格和力Q深深媄(jing)响了(jin)奏V在郭丹的印象中Q家里有很多父亲的专业书Q他不仅在学术上有所成就Q更在日常生zM展现Z(jin)非凡的创造力。他?x)用自己的双手，知识{化ؓ(f)发明创造，如利用材料改善刀L(fng)强度和耐磨性等。他的手工制作，无论是家用的炉子、风扇，q是孩子们手中的玩具Q都凝聚着他的智慧和爱。在那个资源有限的年代，父亲?x)坚持对子女教育的投入——经常购买知识类书籍Q用生活中常见的物理现象出题Q激发孩子们的思考。他q多才多艺，作ؓ(f)省摄影协?x)的会(x)员Q他拍摄技术高。在郭丹很小的时候，父亲在安讄?jin)暗室，是国内第一批会(x)冲洗彩色照片的h之一。他q热爱音乐，一架小提琴在他的手中，淌出?zhn)扬的旋律Qؓ(f)家庭带来?jin)无的温暖和欢乐……父亲不q在郭丹d士期间因病去世，留给Ҏ(gu)的(zhn)痛和思念Q但他留下的_财富?x)永q伴随着q媄(jing)响着郭丹的h生?/span>
上初高中Ӟ郭丹的物理成l非常好。父亲告诉她Q“材料科学的许多问题Q归l到底都是力学问题。”这一启发如同一盏灯Q引领她t上?jin)探索力学的旅程。加上高考前Q郭丹与父亲的母校——西安交大的招生老师盔RQ让她了(jin)解到q所巍巍学府在物理力学方面的深厚U篏Q机~早q下?/span>
1988q_(d)凭借优异的成WQ郭丹如愿跻w西安交大这所C9联盟高校Q本U和士都专d体力学。如同西安交大校歌中所唱，“美哉吾校，真理之花Q青q之模楷Q邦国之荣华……美哉吾校，性灵泉源Q科学之奥府Q艺术之林园……”这所学府以其厚的学术氛围和自由探烦(ch)的学?fn)环境，为郭?gu)供了(jin)一个理想的成长I间?/span>
郭丹的硕士导师陈l汀教授Q是西安交大西迁老教授中的杰Z表，担Q多年《应用力学学报》主~。他以卓的学术造诣和对名利的E泊，赢得?jin)大家的敬和郭丹的崇敬。陈教授不以博导自居Q只带硕士生Q他的点拨L那么_և而深刻，让郭丹和她的同学们受益匪。在他的指导下，郭丹开始接触科研，也是在恩师的指引之下Q她开始介入非U性动力系l全局E_性求解方法的探烦(ch)Q在庞加荣（PoincaréQ映及(qing)?yu)映理论的基础上，提出?jin)一U非U性系l全局分析的新Ҏ(gu)Q变?yu)?yu)映射法，它更适用于高l、大求解域非U性动力系l的求解。“虽然年L候ƈ不能清楚认识到这研I的重要性，如今回头看，q些Ҏ(gu)散布在机械制造的各个领域中被q泛应用Q不仅是U学研究的难点，更是技术的刉炏V”郭Ҏ(gu)Ȁ地回忆。“莫问名利，只问耕耘，一?j)追求科学真理”，导师的风范深入郭丹的血脉基因，U在?jin)她的?j)里，也成?jin)她的品根{?/span>
1995q对郭丹来说是值得U念的一q。这一q_(d)她凭借出色的表现t入清华园，开启了(jin)博士深造之旅。从此水木清华“自Z息，厚d载物”的校训铭刻于心(j)_(d)伴着她完成了(jin)从学子到学者的蜕变?/span>
在著名力学专安兆昌教授的指引之下，郭丹专注于大型构件的振动Ҏ(gu)研I。郑教授曾担任首届及(qing)q后连d届振动工E学?x)副理事长，为我国振动工E科学研I发展作Z(jin)巨大贡献。他像一位永不停歇的探烦(ch)者，在知识的h中不断追求新的发现和真理。他的严谨治学和对学术的热爱Q深深媄(jing)响了(jin)他的学生。让郭丹印象深刻的是导师虽然严厉Q但一直崇科学自q氛围Q鼓励学术间的碰撞和交流。在导师的严D求之下，郭丹和她的同门师兄妹们都展现Z(jin)q硬的科学基素养和敢于创新开拓的能力?/span>
郭丹的博士课题专注于研究复杂条g下旋转圆柱壳的动力学行ؓ(f)Q这一领域在航I天和机械工业中具有重要应用。特别是对于高速旋转的圆柱I其行波共振等问题可能D航空发动Z故。郭丹的博士论文针对q一问题Q徏立了(jin)高速旋转圆柱壳的有限元模型Q考虑?jin)科氏力、离?j)力、初应力?qing)大变Ş几何非线性。她发展?jin)一套计方法，用以计算圆柱壳的固有频率?qing)非U性动态响应，q研I了(jin)其在各种复杂条g下的动力学性态。这些研I成果已被应用于高速旋转圆柱壳l构的设计中?/span>
团队师生在清华大学博士论文答辩会(x)上留?/span>
博士后阶D，郭丹研I视角{向了(jin)汽轮发电(sh)机组转子轴承pȝ故障诊断。她通过建立pȝ力学模型和分析现ZP识别q解军_型{子系l中的a(b)膜涡动、不q늣拉力、{轴裂UVu承碰等问题。这一阶段的工作，不仅加深?jin)她?gu)械系l的理解Q更为后l的研究打下?jin)坚实的基础?/span>
在科学的h里，每一颗探索的?j)都是一艘扬帆的船，q着未知的风，勇往直前Q郭丹的求烦(ch)之旅Q正是这样一D乘风破的航程。幸q的是，一路有父亲和良师益友指引相_(d)Ҏ(gu)加强烈地感受C(jin)机械U学的魅力，W定以最Ua(b)的方式，诠释着对科学的热爱?/span>
感受机械摩擦之美
在清华园Q郭丹与国内尖的学者ƈ肩，探烦(ch)U学更深层次的奥U，q让Ҏ(gu)到无比的快乐和满뀂随着l验的积累，q些q来Q她立国家战略需求和行业前沿Q不断调整研I方向和l分内容Q多q深耕，换来?jin)篏累硕果，也获得?jin)同行的认可和赞誉。她目前发表学术论文200余篇Q先后于2010q?014q和2023q获得高{学校科学研I优U成果奖自然科学奖一、二{奖Q在2018q获国家自然U学奖二{奖?/span>
一、探L转机C奥妙
旋{机械Q如航空发动机、大型汽轮机{，是现代工业的?j)脏Q而滚动u承和传动pȝ像是保证心(j)脏蟩动的动力传递核?j)。它们的E_q行直接关系C个国家的能源供应、交通运输乃臛_防安全。然而，在非常态工况下Q这些机械的转子-轴承pȝ?x)面临复杂的受力情况Q可能导致润滑失效、系l故障甚臛_底失效?/span>
“传l理论未能有效解决非常态条件下的润滑和动力学问题。旋转机械在非常态条件下的润滑规律和作用机制、动力学行ؓ(f)Q以?qing)失效和故障诊断?gu)已成为当今机械摩擦学的前沿研I域之一。”对郭丹来说Q这研I是国家和行业需要，同时也是自己的兴所在。ؓ(f)d相关NQ她自己早q在动力学、润滑和故障诊断{方面积累的知识和经验集成融合，带领团队取得?jin)一pd的创新成果，包括利用光干涉和q加蝲技术，研制润滑l合量仪，首次实现?.6 GPa高负载下润滑膜厚度的_量Q结合荧光示t和U外温技术，揭示?jin)高剪切条g下a(b)膜局部温升导致的润滑失效机制Q通过荧光C和分子动力学模拟Q研I了(jin)微间隙条件下U米颗粒的运动规律及(qing)其局部切削抛光机Ӟ发展?jin)测量纳c颗_机械特性的新方法；建立考虑高速旋转效应的三维l构有限元模型，揭示?jin)旋转引L(fng)l构刚化、几何非U性和非线性振动响应，提出?jin)防止振动失E的Ҏ(gu){?/span>
q些成果不仅在理Zh重要意义Q而且在实际工E应用中hq泛的应用前景，x转机械在非常态条件下的润滑和动力学问题提供了(jin)新的视角和方法。相x果成?014q高{学校科学研I优U成果奖自然科学奖二等奖的重要支撑?/span>
二、微观非接触状态有“摩擦”吗
随着U学向微观领域深入，人类U学探烦(ch)的镜头也逐渐聚焦Q从宏观世界的广阔景象，逐渐拉近到微观世界的_U理。在q个度上，常规的物理定律逐渐让位于量子效应，一个充满未知和可能性的C界向我们敞开大门?/span>
郭丹的研I兴也逐渐拓展C(jin)机械的微观世界。v初，她开始深入探索研I纳c颗_的Ҏ(gu)和q动q程。这一跨学U的研究Q不仅丰富了(jin)她的U学视野Q也为后l的研究奠定?jin)坚实的基础。值得一提的是，她对U米颗粒的研IӞ不仅涉及(qing)基础U学问题Q更触及(qing)集成?sh)\刉等实际应用。这一跨学U的探烦(ch)Q体C(jin)她对U学的全面理解和深刻z察?/span>
微观非接触状态有“摩擦”吗Q对q一问题的探I是郭丹在微观机C界探索的一个重要方向?/span>
“在q去的几十年里，宏观接触表面摩擦学的理论和实践都得到?jin)空前的发展。在宏观机械q动摩擦中，通常不考虑分子原子的相互作用，q是׃它们与接触表面的怺作用相比太微弱，可以忽略。但是在微观度下，如在微纳cxCQ这些作用则不可忽略。微观非接触状态下Q有很多U神U的力量也在产生着摩擦。如何准测量微度下的低摩擦力是一个巨大的挑战。”在兴趣和爱好的牵引之下Q郭丹在相关领域投入研究。非接触摩擦产生的原因是什么？与接触摩擦相比，非接触摩擦的量隄主要展现在哪些方面？国际上有哪些h代表性的非接触摩擦及(qing)量技术？……随着研究的日益深入，引领相关领域发展方向的诸多有益探索得到ȝ和归U뀂“d国雷Ҏ(gu)堡大学、IBM苏黎世研I实验室、瑞士巴塞尔大学{，在非接触摩擦?qing)测量技术方面做Z(jin)很多前沿探烦(ch)Q引领了(jin)q个领域的发展方向，他们的技术代表了(jin)世界最高水q뀂ؓ(f)?jin)克服传l非接触量中?zhn)臂振动温漂?qing)q{问题，2000qd国雷Ҏ(gu)堡大学开发了(jin)qPlus技术，采用高频振动的石英音叉代替?zhn)臂式力传感器Q针尖可以在亚埃振q工作，从而大q提高了(jin)短程力的探测灉|度?009q_(d)IBM苏黎世实验室利用qPlus技术结合针修饰技术，成功探测C(jin)氢键的长度及(qing)角度Q其力测量精度达C(jin)pN量。这一成果被《科学》杂志评?009q十大科技q展之一。”尽近q来微尺度下的超低摩擦测量方法取得了(jin)许多?gu)的研I成果，但郭丹介l，领域在理论及(qing)技术方面仍焉要进一步完善，特别是非接触摩擦量斚wQ国际上只有数几个实验室能够实现高_ֺ非接触摩擦耗散的测量，国内与世界先q水q之间存在较大差距?/span>
通过发展高灵敏度的摩擦耗散量技术，在微度下开展摩擦行为和控制q一典型共性问题的研究Q对揭示摩擦h?qing)耗散机制h重要的意义：(x)从学U发展上Ԍ是对摩擦学研I内늚补充Q从实践上来Ԍ可解军_/U_件及(qing)高精度测试设备中存在的共性技术问题，Ҏ(gu)高微/U_件及(qing)高灉|度测试装备的工作可靠性具有重大的理论指导意义?/span>
三、非接触量的利?/span>
工欲善其事必先利其器Q科学研I的发展M开先进的工具和技术。多q深入微观机械领域探索，郭丹q“利器”的重要性?/span>
“传l原子力昑־镜接触模式由于无法解x针的跌问题与测量精度之间的矛盾Q无法测量近表面的非接触作用力。非接触量模式是利用探针?zhn)臂在样品表面附近振动Q通过表面力对(zhn)臂振动q倹{频率及(qing)怽的改变，从而获得所需要的形貌?qing)非接触表面怺作用{信息的量Ҏ(gu)。”很长一D|_(d)郭丹研I目光聚焦在原子力显微镜q一“实现原子别非接触摩擦量的有力工具”上Q意N过研究原子度非接触摩擦测量技术，揭示原子度非接触摩擦的h?qing)能量耗散机制{。多q深耕，她和团队取得?jin)一些创新成果，如研I微(zhn)臂多频Ȁ振的量理论?qing)测量控制方法；研究同时量法向力和横向力的量?gu){，q一成果不但在微U米U测量技术方面是一个突_(d)在原子尺度非接触摩擦斚wQ也能获得更多的怺作用力信息，为揭C非接触摩擦h?qing)能量耗散机制提供有力的手Dc(din)?/span>
从硕士阶D开始接触科学研I算P郭丹在科学的h里“追逐浪花”已l有30余蝲Q其间科学研I以理论ZQ也有涉?qing)应用研I。她博士期间的研I成果，如今已成为商业Y件中不可或缺的模块，她的法在旋转物体的固有频率计算中发挥着重要作用。此外，她的团队开发的故障诊断pȝQ已l在工业现场得到应用Qؓ(f)汽轮机组的维护提供了(jin)U学的指对{对理论与成果{化，她一直持有^和的态度。她认ؓ(f)Q科学家的职责在于发C创新Q而将q些创新转化为社?x)的实际价|则需要与产业界的紧密合作。从兴趣上来ԌҎ(gu)們于专注做U研Q而品的?jng)场转化则交l擅长此道的人?/span>
U学研究从无坦途，虽然也曾面(f)不少挑战Q难题层ZIP但要|列一二，郭丹始终表示很困难。因为在她的字典里，困难q障碍Q而是通往新发现的必经之\。在她看来，q是U研工作者的日常Q不必介怀Q要微笑面对?/span>
水木清华园里情l放的荷?/span>
管有多q沉U的底蕴和篏累硕果在w，q些q也承担q不管理的职务Q包括担任重点实验室副主d研究所副所长等Q培d?jin)一批又一批年MhQ但郭丹lh的感觉跟原先那个Ҏ(gu)械物理科学充满热爱和向往的纯真女孩没什么两P不带M杂念Q更在意探烦(ch)和发现的乐趣。以U学ZQ以实验ZQ她的生zdU研而丰富多彩?/span>
郭丹Q前排左3Q与毕业生合?/span>
让郭Ҏ(gu)到无比快乐和高兴的是Q在清华园里Q有一和她志同道合的师生同伴。“西p苍，东v茫茫Q吾校庄严，巍然中央……”水木清华，钟灵毓秀Q这里，曑֭育了(jin)无数杰出的学者和灿烂的成果，如今有更多优U的学子聚集在q里情展现书生意气Q挥斥方遒。在q里Q郭丹不仅找C(jin)自己的学术和_家园Q更期望在这片沃土上深深扎根Q培育出更多J茂的枝丫?/span>
与当q导师的严厉不同Q郭丹与学生相处Q更多的是扮演“知?j)大姐”的角色。但在很多方面，她始l保持着与导师共同的?fn)惯和理念?x)?j)无旁骛地快乐追索科学真理，不忘清华严}的学风，拥有博大的胸怀Q不断给学生创造学术自由、交碰撞的开攄境等?/span>
郭丹每周都会(x)l学生开一ơ组?x)，而她所在团队的l会(x)是出?jin)名的“热闹”。组?x)上Q学生会(x)自己在U研中遇到的问题一一反馈。面对他们遇到的困难Q郭丹也从不|n事外Q而是带领大家一赯论，共同L解决问题的思\。除?jin)问题反馈之外，她还鼓励学生在组会(x)上勇敢地提(gu)q观点Q无论是对当前学术热Ҏ(gu)献的分nQ对现有理论的挑战，q是Ҏ(gu)知领域的好奇提问Q都能在q里得到响应、尊重和鼓励。清华的学术_在这里得到很好的传承与发扬?/span>
“正如清华园中的药池，?rn)谧而深邃，每一朵荷花都在这里熾放自q丽Q每一片荷叉承蝲着生命的重量。学术自由是培养独立人格和创新精的土壤。”在郭丹看来Q清华的每一位学生都很优UQ他们每一个h都是独特的个体，都拥有无限的潜力和可能，而她需要做的，是l护好这片让他们能自由成长的沃土Q乐看花开?/span>
和很多女U学家一P郭丹在很多场合都?x)被问到“作Z名女U学Ӟ事业和家庭如何^衡？”这一问题Q她W着揶揄_(d)(x)“ؓ(f)什么男士就不会(x)被问到这L(fng)问题Q”但同时也坦陈，x在生活中确实需要扮演多重的角色Q要惛_善尽需要有在不同角色间扑ֈq点的智慧。在U学的世界里Q性别不是界限Q而是多元化视角和丰富l验的来源。郭丹坚信，无论扮演什么角Ԍ无论面对何种挑战Q保持那份对知识的(f)望和Ҏ(gu)知的好奇?j)，是通往U学发现的永恒钥匙?/span>
清华校友M(x)服务?/span>
清华校友M(x)订阅?/span>