游弋在计算机和物理科学中的化学家

昆山杜克大学 · 教授故事

文 | 祁蕾

四年清华本科，五年杜克博士，六年耶鲁和哥大博后……张凯的学术之路走得心无旁骛，始终沉浸在自己的软物质世界。这样的背景没让他自矜。他说自己没什么野心，鲜去描摹十年、二十年后的样子，总是立些三五年内的目标，把脚下步子踏稳，然后不断攀高向上。

如今，他是昆山杜克大学的化学助理教授，给本科生科研加码研究生的难度，指导的学生即将在重量级期刊发表论文。教学科研之余，他爱读历史，读人类演化，和同事不谈学术时，也会聊聊生活和育儿。被问到对学生有什么建议，他摇头，“大家都是成年人，应该去独立地思考。”

张凯摄影/王启铃

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博士与博士后生涯

高考那年，张凯撞上非典，考完数学觉得砸了，问一圈同学，发现大家都发挥不太好。成绩常年排在年级前列的他最终报考清华大学，顺利获得录取。

张凯的本科毕设题目围绕量子化学，进入杜克大学读博士之后却对另一个领域——软物质计算模拟——产生兴趣。软物质又称软凝聚态物质，是一种处于固体和理想流体之间的物质，一般受到外力会发生显著的形变，如细胞、DNA、液晶、高分子、生物膜、颗粒物质等。可以说，我们就生活在一个软物质遍布的世界里。

从组成不难看出它交叉学科的特性，知名期刊《软物质》（Soft Matter）这么形容：软物质就是物理遇上化学遇上生物（Where physics meets chemistry meets biology）。但多年来，三个领域的科学家都各自为阵，直到1991年法国物理学家皮埃尔-吉勒·德热纳（Pierre-Gilles de Gennes）在获诺贝尔物理学奖的演讲中首次提出“软物质”概念，不同领域的语言才逐渐统一。

张凯选择软物质，正是因为这个学科形成时间不长，未知问题多。它的特性、实用性探索空间广阔，对生命科学、化学化工、医学医药、材料、环境等诸多领域都影响深远。

软物质科学的研究对象举例：极小曲面、硬球堆积、高分子构型、纳米粒子自组装图源/张凯

于许多研究者而言，科研过程并不总是坦途。和灵光一现的短暂时刻相比，更漫长的是艰难甚至孤独的探寻。张凯也遭遇过不顺，比如一个研究课题做着做着发现一开始计划是错的，进入了死胡同，要推倒重新来过；又或预计一两个月可以完成的事，却绕了些路，不得不花成倍的时间。

他对此看得开阔，“人生值得担心的事太多了，比如身体健康、家人平安。相形之下，研究中遇到的挫折真不算什么。读博训练的就是解决问题的能力，遇到问题就想办法去解决。”

学术道路维艰，不少同学转行去做了计算机工程师，因为研究中涉及大量编程，直接就能上手。张凯也短暂尝试过工业界，但发现初心与热忱始终在学术。

五年杜克读博期间，他用分子模拟的方法来计算软材料的结构和动力学性质；2012年博士毕业，他进入耶鲁做了三年博士后研究，主攻金属玻璃的玻璃形成能力的预测；2015年，他进入哥伦比亚大学，又花了三年时光埋首钻研用聚合物膜和聚合物纳米复合材料进行气体分离。被引用逾五百次的二十余篇论文，是他这十一年科研的见证。

如今，他和昔日的导师和同门还常有联系，多数时间只聊学术。“导师和我一般只聊科研进展，不大闲谈，像个机器人，不过我喜欢机器人。” 他觉得科学家之间的交流，最重要的不是生活八卦，而是学术。比如科学界有项传统：一个备受尊敬的科学家过生日，其他科学家会聚在一起，为寿星开一个关于其一生研究成就的学术讨论会。

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“遇到这些学生，我很幸运”

2019年1月，张凯加入昆山杜克大学，任教化学。今年读大三的于越是最早几位和张凯联系上的学生之一。他自大一就开始寻找从事研究的机会，2019年年初，他收到一封张凯招学生研究助理的邮件，于是发去申请。没一个钟头，于越就收到了张凯的回复，邀请他去办公室详聊。一聊觉得合适，当即敲定下来。

几个本科生初进研究组，张凯就将他们当作研究生看待，布置的课题和任务，难度不低。他观察到学生吃力，于是给了许多领进门的指导，但没想过要降低难度。“我尽量用他们能理解的语言去讲，让他们尽可能跟上，他们后来也的确都跟上了。这些学生的基础都非常好，接受新知识很快。遇到他们，也是我很幸运的地方。”

张凯和学生李丁宁（左）、曲忠航摄影/王启铃

张凯没有继承导师的“机器人”风格。于越回忆，“今年八月刚开学那会儿，很多同学还没回来，张教授是陪我吃饭最多的人。他是老师，也是朋友。学习之外，也会关心我的未来规划，还引荐我认识他杜克的导师。”

于越的研究正稳步推进。前不久，他在新实验室的揭牌仪式上作为学生代表向学校捐赠人介绍了气体在规则孔隙中扩散分离的分子动力学模拟。张凯当时就坐在台下，注视着这个令自己骄傲的学生。下一步，于越计划在2021年美国物理年会上讲解自己的研究成果。

于越在新实验室揭牌仪式上介绍研究成果

图源/DKU

就读大二的曲忠航也是在张凯指导下进行研究的学生之一。今年夏天，他尝试在材料学领域做计算机视觉方面的研究，探索运用卷积神经网络来研究材料学图片。“张教授为我联系了他博后所在的哥伦比亚大学的实验室，成功谈成合作，我们获得了实验室积累的大量图片数据。在张教授的指导下，我阅读大量文献，建立研究流程，并编写了对应的运算程序。在漫长的训练阶段，我远程运用学校的服务器，建立出了一个个模型，并依次检测它们的性能。”

一个夏天的研究出了成果，张凯鼓励曲忠航写成论文。忙论文那几天，他们基本都待在一起。张凯带着曲忠航从学习科技论文的写作方法入手，到绘制高质量统计图，最终把成果详尽呈现。他们准备投稿给国际重量级期刊《美国化学学会·中心科学》（ACS Central Science），如一切顺利，有望在年底发表。曲忠航是第一作者，张凯是通讯作者，第二、三作者是哥伦比亚大学的博士和教授。

曲忠航从这段经历中找到乐趣与成就感，立下从事科研的目标。对此，张凯倒希望他不要那么着急做决定。“学术道路不好走，如果慢慢发现自己很喜欢、很擅长一个方向，愿意深入，那很好；但如果做着做着发现自己的激情不在学术，那就转向，也没什么。总之，做一些对社会有正面意义的事情就可以了。”

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爱艺术，爱历史，更爱找规律

张凯的个人网站上除了有自己历年来发表的论文、参加的会议、代码的分享，还留了一页陈设艺术品。

比如西魏名将独孤信的多面体煤精组印，其中的14个正方形印面上刻着“大司马印”、“大都督印”、“臣信上疏”、“臣信启事”、“信白笺”、“令”等独孤信的官职和一些常用的上表、公务、书信用语。张凯觉得这个印章很有意思，因为“它各个面的方向和晶体的方向是一样的”。

独孤信多面体组印以及晶体的不同晶面图源/陕西历史博物馆 & 网络

陈列中还有英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）制作的吉布斯热力学表面的石膏模型，它被作为礼物赠与了耶鲁大学的乔赛亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs, 统计力学的创立者）。张凯在耶鲁做博后时看到，觉得很美，就拍了一张，用作微信头像。

吉布斯热力学曲面图源/张凯

“科学与艺术能建立的联系有很多。比如今年的诺贝尔物理学奖罗杰·彭罗斯（Roger Penrose），他是因为研究黑洞获奖。不过他还有一项研究，叫‘彭罗斯平铺’。他创造了一种贴砖样式，这套贴砖具有五重对称性，能够以没有周期性的方式铺满平面。”

彭罗斯平铺图源/网络

“许多艺术背后都有一些科学规律。这不是巧合，而恰恰是因为遵从了规律，所以总是不断发生，这本身就是一件优美且有趣的事。”张凯喜欢从事物中找寻规律，艺术是其一，历史是其二。

他爱读《史记》、《三国志》和《资治通鉴》；还会看科学家写的历史书，比如演化生物学家贾雷德·戴蒙德（Jared Diamond）的《枪炮、病菌与钢铁》（Guns, Germs, and Steel）。书中描述了近13,000年来人类的历史，但不限于描述，而是试图解释为何欧亚文明最终可以存活，并战胜其它文明。

“我不关心几百年、几千年前的政治斗争和个人恩怨，我想看数万、甚至数十万年前人类是怎么进化的。”

这些书让张凯变得更豁达。“一个历史事件的发生，不单单是因为偶然，还有许多深层的规律，读完内心一些困惑会得到解答。比如原先可能有些关于人性和社会关系的复杂问题想不通，但读这些书就会发现，背后是有许多进化学原理的。你把人当动物看，就什么都明白了。”

旅游，张凯也喜欢找有人文历史古迹的地方。前脚去完日本，回来就把日本战国史读了一遍，还打了一通这个背景下的电子战略游戏，从中找出军事实力高低与封地大小之间的规律。

“日本从战国时起就特别定量化。军阀的封地都是按石（dàn，计量单位）分配。全国大概一千多万石，每石能养多少人、出多少士兵，都可以量化。你看一个人有多少地，就大概知道他的实力了。丰臣秀吉、德川家康这些人如何有才能并不那么重要，主要看谁家地多，还有谁家孩子多。”

战略游戏《信长之野望》图源/网络

找规律，这是个纯粹的爱好，一如他选择的研究领域。无数未知的难题，因为困难，所以提供了持续的吸引力。

张凯说自己没有野心。他对“野心”的定义是，心中有一股成为什么样的人的执念。他尊敬杨振宁、费曼，以及他们的工作，但并不崇拜某个个人。他只是想把眼下的事做好，然后不断向上攀登。秉着这样的信念，他钻研了十多年软物质，并将在未来可见的岁月里，带着学生继续挖凿下去。

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