郑泉水院士

郑泉水，中国科学院院士，在1980-90年代创建了完整的本构方程张量函数理论，建立了细观力学郑-杜模型，解决了非椭球夹杂Eshelby张量和Cauchy平均转动等长期没有解决的经典难题。目前，正探索将高阶张量理论应用于人工智能底层技术的开发。2000年后，开创了结构超滑（指两个固体表面全接触滑移时摩擦几乎为零、磨损为零的状态）理论与应用技术。摩擦与磨损作为对人类生存和发展持续产生重大影响的两个基本物理现象，造成巨大的能源浪费和环境污染，并使得人类梦寐以求的大量关键技术难以实现。结构超滑技术的诞生，将为相关问题带来颠覆性的解决方案。2009年创办清华学堂钱学森力学班以来，创建起了一个大工科拔尖创新型人才培养的全新模式。郑泉水在创新教育领域持续和深入的探索，使其对创新人才培养有了独特的理解，培养了一批极富创造力的前沿交叉人才，在国内外受到高度认可。

1989.12 清华大学，工程力学系固体力学专业，工学博士学位

1985.12 湖南大学，工程力学系固体力学专业，工学硕士学位

1983-1984  北京大学，数学系应用数学专业，在职硕士进修生

1978-1981  江西工学院（现南昌大学），土建系工业与民用建筑专业，工学学士学位

2022年-至今，清华大学深圳国际研究生院/双螺旋中心，主任/教授/博士生导师

1993年-2022年，清华大学/航天航空学院工程力学系，教授/博士生导师（1994）

1982年-1993 年，江西工学院（现南昌大学）土建系，教授（1992）

1990年-1993年， 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、欧洲研究员

深圳零一学院院长；

深圳清华大学研究院超滑技术研究所所长；

清华大学学堂计划钱学森力学班首席教授；

清华大学微纳米力学与多学科交叉创新中心主任；

清华大学教学委员会副主任；

清华大学教授聘任委员会委员等；

曾主要任职有：

清华大学航天航空学院工程力学系系主任；

清华大学航天航空学院学术委员会主任；

清华大学学术委员会秘书长；

清华大学-以色列特拉维夫大学XIN中心创办主任；

南昌大学高等研究院创办院长；

中国力学学会旗舰杂志《力学学报》和Acta Mechanica Sinica主编；

中国力学学会副理事长等。

郑泉水长期在下述领域耕耘，获得了国家自然科学基金委、国家科技部、国家教育部、深圳市政府、北京市政府、清华大学、南昌大学等政府或高校近百项科研或教育教学项目资助；以及美国唐仲英基金会、IBM基金会、斯伦贝谢公司、美的公司等十余项社会资本的资助或捐款。

主要研究兴趣：

1、结构超滑界面与器件：目前聚焦于面向国家重大需求或巨大市场前景的应用性研究和基础研究。

1）结构超滑应用研究：基于结构超滑的纳米机器人、全新MEMS/NEMS器件、微纳米发电机系统、面向下一代的存储技术、精密轴承/滑环等；

2）结构超滑的基础科学研究：范德华界面的力、电、热、光等物性研究；

3）结构超滑材料及表界面的制备、转移和集成方法，以及实验技术和特色设备构建等。

2、人工智能与多学科交叉：

1）基于张量压缩的计算机视觉大模型预训练算法研究；

2）基于弱监督、无监督深度神经网络的多模态、多维度医学影像信号处理。

3、极端疏水材料的基础和应用研究：

1）可实际应用的极端疏水表面的力学机理和材料制备研究；

2）极端疏水材料在强化冷凝、高热流密度芯片冷却、强化传热、防雾防冰、以及太阳能电池板表面自清洁的应用性研究。

4、创新教育：致力于特潜和拔尖人才的发掘与培养。

开放研究生和博士后申请：欢迎在材料、力学、物理、化学、电子等方面具有扎实背景，且对以上研究领域有高度兴趣，勇于挑战困难问题的同学报名。

【研究成果】

1、结构超滑基础科学和应用技术研究

运动是宇宙中最普遍的现象，而两固体表面接触下的相对滑移运动（简称“滑移”）是最简单的受约束运动。伴随该运动发生的摩擦和磨损对人类社会影响巨大。据统计，全球约30%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2%～7%），并造成环境污染等问题。在微米尺度，材料的表面效应变得十分显著，摩擦和磨损所带来的问题将会更为严峻，使得许多梦寐以求、潜力无限的高端技术无法实现。减小和控制摩擦以及避免磨损对微纳功能器件和微纳机电系统的发展与应用具有重要的科学意义和应用价值。

结构超滑（Structural Superlubricity）是指两个固体表面直接接触区摩擦近乎为零、磨损为零的一种状态，是范德华力相互作用带来的一种独特性能。郑泉水在过去20多年间，开创了范德华纳米器件的理论和实验研究。带领团队在结构超滑研究上从各向异性材料力学理论的理解出发，结合物理概念与材料、微机械电子系统技术，探索摩擦力几乎为零、无磨损这一新型运动界面状态的物理实现、物性功能调控与创新型应用。针对结构超滑的原理与应用研究，建立了该体系的基本科学概念与理论框架，揭示了结构超滑界面摩擦、磨损与能量耗散的微观机制与物理实质，提供了探索结构运动界面状态与其所涉及声子、电子激发等过程的研究平台，为研发在工程装备、功能器件等领域中的颠覆性技术和高性能、高效率、长寿命应用带来了新思路。同时，揭示了结构超滑体系中界面摩擦与能量耗散以及热力耦合作用下的跨尺度物理力学规律，提出控制界面摩擦和磨损的结构超滑器件原理和设计方法，可为结构超滑器件的发展和技术创新提供新的思路和途径。郑泉水团队定义的结构超滑运动界面的近零摩擦、无磨损的极端特征，为应用探索打开了新的设计维度，将在高端制造、航天航空、信息通讯、健康医疗等领域中为实现从“0”到“1”的创新提供机遇。

随后，在国家和民间资金持续的大力支持下，郑泉水带领团队在结构超滑技术领域一路世界领先，目前申请获批的全球至今公开的结构超滑发明专利遥遥领先。2017年，《范德华层状介质的滑移行为和力学模型》项目获得国家自然科学奖二等奖（第一获奖人）。2018年，郑泉水等应Nature杂志邀请，撰写发表该领域的未来发展趋势；2015、2017、2019年，郑泉水等主持召开了至今为止的历届国际超滑专题会议。2022年，“基于结构超滑技术的超级微发电机”项目荣获科技部首届颠覆性技术大赛总决赛最高奖——优胜奖。2023年，结构超滑入选国家自然科学基金委员会《凝练科学问题案例》，位列81个科学问题的首个代表性案例。

2019年，郑泉水团队在清华大学、深圳市政府和深圳市坪山区政府的共同支持下，在深圳坪山区成立深圳清华大学研究院超滑技术研究所（以下简称“超滑所”），致力于加快结构超滑从科学研究到技术研发到产业应用的科技成果转化。同时，超滑所负责创建并全权管理运营的深圳超滑技术实验平台，该实验平台拥有世界一流的结构超滑研发设备及相关工艺能力，为结构超滑的基础研究和技术研发提供高效的实验加工和工艺支持。同时，应深圳市政府要求，实验平台的微纳设备也为高校、科研院所和企业提供工艺整合，共性工艺开发等技术服务，以促进提升实验平台综合能力和各项指标。

概括来说，郑泉水团队深入系统地发展了结构超滑科学，在全球范围内率先实现了该领域的众多源头创新技术突破。结构超滑的实现将人类长期认为“不可能”实现的一个梦想——滑移时出现持久的近零摩擦和零磨损状态，变成了技术现实，有望开启一系列涉及极广（机械、传感、控制、数智、生物、能源、环境等）的前所未有技术的大门，将革新现有，创造未有，影响第四次工业革命。

2、本构方程张量函数表示理论体系和人工智能张量底层技术

构建材料的本构方程是当代固体力学研究的核心难题之一，郑泉水在这方面的理论研究达到了本领域内少有的深度和完整性。于1994年独立创建的张量函数表示理论，被力学理论权威、英国皇家学会会员AJM Spencer评价“为各向异性材料的连续介质力学/物理的统一理性公式化指引了道路”。R. Ogden等人（四年一度的国际力学最高奖Hill奖获得者）基于该理论建立了50多种复合材料、多功能材料以及生物组织的本构关系。此外，在细观力学领域，郑泉水领导建立的郑-杜模型，被Hill奖获得者高华健列为细观力学四个主要模型之一，并评价该模型为为“最精确的细观力学模型”；郑泉水等人还建立了非椭球夹杂的Eshelby理论，突破了Eshelby夹杂理论的椭球夹杂局限，Acta Mech主编Weng评价该工作“建立一个既是解析的，又反应了夹杂形状、密度和分布函数对多相复合材料有效弹性性质影响的理论”。2004年，郑泉水主持的《张量函数表示理论与材料本构方程不变性研究》项目获得了国家自然科学奖二等奖（第一获奖人）。

在实际生活中，繁杂的数据通常被组织为张量的形式以进行存储和运算。当代人工智能的浪潮兴起于大数据，数据的规模及维度大幅增加，迫切需要使用高阶张量及其相关方法对数据进行存储，分解，压缩与重构。关于二阶张量性质和结构的研究已经非常全面，而罕有对高阶张量的研究。郑泉水创建了深入研究高阶张量对称结构的系统性方法，首次实现了任意高阶张量的不可约分解，为涉及高阶张量的力学、物理及人工智能研究提供了有限的理论指导。

自2017年开始，郑泉水课题组开始与人工智能学界和企业合作，探索将高阶张量理论应用于人工智能底层技术的开发。目前，郑泉水带领团队已将张量不可约分解理论与核磁共振技术相结合，提出了分析磁共振采样信号的新方法；在数据处理方面，基于高维数据的稀疏性和张量分解理论，开发了性能优越的数据压缩算法，实现了对高维数据的低秩近似，为后续的人工智能算法处理提供了便利；对于复杂的医学影像，利用张量场梯度等信息，对气管、血管等微观结构进行表征，方便了后续神经网络的特征提取。

3、极端疏水科学与技术研究及其应用

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，尽管风声呼啸，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”，称作为极端疏水（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，极端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，使得极端疏水真正走向大规模可靠的实际应用充满挑战。郑泉水在此领域已持续进行了长达20余年的研究，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；首次实验发现对于特定的微纳米表面结构，极端疏水湿润状态可以稳定存在，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和固液界面输运等方面，表面微结构尺度都起到至关重要的作用。2019年，郑泉水课题组发明了一种高耐磨超疏液材料制备方法，经研究表明这种超疏液材料具有很强的耐磨损和抗拉伸性，并且制备操作简单、高效、低成本和具有广泛的适用性。在具有稳定超疏水性的材料制备工艺基础上，课题组开展了一系列超疏水表面的应用研究。高效的冷凝传热在高效能源转换、高效海水淡化、高效芯片散热等领域扮演着重要角色。超疏水表面的液滴合并弹跳策略，为冷凝效率的提高开辟了新的天地。但是，该策略的潜力尚未得到完全开发，仍然存在弹跳概率小和弹跳速度低等问题，制约了其走向实际应用。2022年，郑泉水课题组为冷凝液滴稳定高速的合并弹跳提出了开创性的解决方案。通过设计并制备薄壁栅格超疏水材料，实现了100%概率的极端稳定弹跳，并使得液滴弹跳动能实现了10倍提升。该研究在均热板等基于相变的散热设备中具有广阔应用前景。

长久以来，郑泉水课题组始终致力于让超疏水材料走出论文，走向产业，实现大规模应用，为社会创造实实在在的价值。近些年来，课题组的研究成果得到了美的、联想、华为等企业的关注。目前，团队正与相关企业探索和开展深度的项目合作，有望产生深刻的产业变革。

4．创新性人才培养

郑泉水自2009年至今担任清华学堂人才培养计划钱学森力学班（简称“清华钱班”）创办首席教授。清华钱班以“发掘和培养有志于通过技术改变世界、造福人类的创新型人才，探索回答‘钱学森之问’”为使命。创办十余年来，作为入选国家“珠峰计划”（基础学科拔尖学生培养试验计划）的唯一工科基础班，清华钱班首创了以“进阶式研究学习体系”为牵引的“大工科”创新人才培养新模式——即“课程－研究－社群”（CRC）培养模式，实现了学生发现内心激情、知识自主构建、优秀师生互认、抓住重大机遇等创新成长必要因素的聚合，为当代中国的科技创新人才培养作出了富有突破性、引领性和可普及性的模式创新探索。

针对“钱学森之问”深层次的“痛点”“顽症”而言，清华钱班十余年基本形成的培养模式给出了一个系统性解决之道，以颠覆式创新的思路建立了兼具“精深挑战”与“开放交叉”特色的课程体系，落实了进阶培养，帮助学生通过层层递进的研究训练实现精深学习和激发创潜能。在录取和评价学生方面，改革了单一招生方式，通过互联网、云技术等平台，强化大学中学合作，形成了拔尖创新人才培养与选拔的有效联动机制。同时推出五维招生测评系统（内生动力、开放性、勇气与坚毅力、智慧、领导力），优化了学生综合评价体系。

十余年间，清华钱班独创了以“学生-问题-导师”三要素聚变为核心的钱班模式，总结出的人才培养的方法论——通过研究激发学生内在激情，更好地个性化和创造性学习——取得了显著的成效，用最少的学分培养了一批极富创造力和创新潜质的前沿交叉人才，在国际上受到广泛认可，构建了对我国高等教育发展具有普遍意义的大工科创新型人才培养新模式。

2021年，郑泉水基于清华钱班的理念和经验，创办了深圳零一学院，希望通过一种面向社会开放的个性化拔尖创新人才“陪长”模式，建立起更加长期有效的创新人才选拔和培养机制，让更大范围、更多类型的孩子的潜能和创新天赋得到激发和绽放，为创新型国家建设蓄力。

1990    中国科学技术协会青年科技奖

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

1995    国家杰出青年科学基金

1996    中国青年科学家（数理奖）

1998    国家有突出贡献中青年专家

1999    教育部长江学者特聘教授

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本构方程不变性研究

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

2019    宝钢优秀教师特等奖

2021    第三届杰出教学奖

2021    清华大学新百年教学成就奖

2022    科技部首届颠覆性技术大赛优胜奖（最高奖）

2023    结构超滑入选国家自然科学基金委员会《凝练科学问题案例》81个科学问题的首个代表性案例