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在機械的世界裏，每一個齒輪的轉動、每一個軸承的滑動，都承載著動力學與摩擦學的無窮智慧。它們以精確的節奏協同工作，展現出自然界的和諧與秩序。

隨著科技的飛速發展，這些機械的部件被賦予了更加艱巨的任務。當機械設備置身於深海的重壓、太空的極端溫差或是高速列車的劇烈摩擦之中，如何確保它們的可靠性和穩定性？如何在這些苛刻條件下維持機械系統的完美和諧？隨著人類的探尋逐漸深入微觀尺度，在微納米機械中，兩個幾乎不接觸的表面是否存在什麽神秘的力量從而影響機械的運動？在精密的微管道中，液體和氣體是如何共存並相互作用，推動微流體技術的發展？……

郭丹

在意昂体育平台機械工程系研究員郭丹的研究世界裏，這些看似普通其實蘊含奧妙的問題，始終如磁石般吸引她去不懈探索。在她的眼中，科學不僅是知識的海洋，更是心靈的歸宿，她願以一顆簡單、純粹、熱愛的心，去執著探索機械世界的無窮奧秘。長此以往，也養成了她以一顆簡單純粹的心來對待周遭一切的習慣。溫婉的性格、爽朗的笑聲，總是讓人如沐春風，親切自然無距離，無需華麗的辭藻，卻散發出獨特的魅力。

揚起探索的風帆

“給我一個支點，我將撬動整個地球。”阿基米德的這句名言，不僅道出了力學的無窮魅力，也象征著知識的力量能夠開啟無限的可能。力學，作為一門揭示自然界運作規律的科學，對郭丹而言，既是專業選擇，也是她對世界好奇探索的起點。

郭丹的成長之路，是一條由愛鋪就的旅程。她的父親，一位畢業於西安交通大學（以下簡稱：“西安交大”）材料系的學者，以他獨特的人格和魅力，深深影響了她。在郭丹的印象中，家裏有很多父親的專業書，他不僅在學術上有所成就，更在日常生活中展現出了非凡的創造力。他會用自己的雙手，將知識轉化為發明創造，如利用材料改善刀具的強度和耐磨性等。他的手工製作，無論是家用的爐子、風扇，還是孩子們手中的玩具，都凝聚著他的智慧和愛。在那個資源有限的年代，父親會堅持對子女教育的投入——經常購買知識類書籍，用生活中常見的物理現象出題，激發孩子們的思考。他還多才多藝，作為省攝影協會的會員，他拍攝技術高超。在郭丹很小的時候，父親就在家裏設置了暗室，是國內第一批會沖洗彩色照片的人之一。他還熱愛音樂，一架小提琴在他的手中，流淌出悠揚的旋律，為家庭帶來了無盡的溫暖和歡樂……父親不幸在郭丹讀博士期間因病去世，留給她無盡的悲痛和思念，但他留下的精神財富會永遠伴隨著並影響著郭丹的人生。

上初高中時，郭丹的物理成績非常好。父親告訴她：“材料科學的許多問題，歸結到底都是力學問題。”這一啟發如同一盞燈，引領她踏上了探索力學的旅程。加上高考前，郭丹與父親的母校——西安交大的招生老師相遇，讓她了解到這所巍巍學府在物理力學方面的深厚積累，機緣早就種下。

1988年，憑借優異的成績，郭丹如願躋身西安交大這所C9聯盟高校，本科和碩士都專攻固體力學。如同西安交大校歌中所唱，“美哉吾校，真理之花，青年之模楷，邦國之榮華……美哉吾校，性靈泉源，科學之奧府，藝術之林園……”這所學府以其濃厚的學術氛圍和自由探索的學習環境，為郭丹提供了一個理想的成長空間。

郭丹的碩士導師陳紹汀教授，是西安交大西遷老教授中的傑出代表，擔任多年《應用力學學報》主編。他以卓越的學術造詣和對名利的淡泊，贏得了大家的尊敬和郭丹的崇敬。陳教授不以博導自居，只帶碩士生，他的點撥總是那麽精準而深刻，讓郭丹和她的同學們受益匪淺。在他的指導下，郭丹開始接觸科研，也是在恩師的指引之下，她開始介入非線性動力系統全局穩定性求解方法的探索，在龐加榮（Poincaré）映射及胞映射理論的基礎上，提出了一種非線性系統全局分析的新方法：變胞胞映射法，它更適用於高維、大求解域非線性動力系統的求解。“雖然年輕時候並不能清楚認識到這項研究的重要性，如今回頭看，這些方法散布在機械製造的各個領域中被廣泛應用，不僅是科學研究的難點，更是技術的製高點。”郭丹感激地回憶。“莫問名利，只問耕耘，一心追求科學真理”，導師的風範深入郭丹的血脈基因，種在了她的心裏，也成了她的品格。

1995年對郭丹來說是值得紀念的一年。這一年，她憑借出色的表現踏入清華園，開啟了博士深造之旅。從此水木清華“自強不息，厚德載物”的校訓銘刻於心間，伴著她完成了從學子到學者的蛻變。

在著名力學專家鄭兆昌教授的指引之下，郭丹專註於大型構件的振動特性研究。鄭教授曾擔任首屆及並隨後連任四屆振動工程學會副理事長，為我國振動工程科學研究發展作出了巨大貢獻。他就像一位永不停歇的探索者，在知識的海洋中不斷追求新的發現和真理。他的嚴謹治學和對學術的熱愛，深深影響了他的學生。讓郭丹印象深刻的是導師雖然嚴厲，但一直崇尚科學自由的氛圍，鼓勵學術間的碰撞和交流。在導師的嚴格要求之下，郭丹和她的同門師兄妹們都展現出了過硬的科學基礎素養和敢於創新開拓的能力。

郭丹的博士課題專註於研究復雜條件下旋轉圓柱殼的動力學行為，這一領域在航空航天和機械工業中具有重要應用。特別是對於高速旋轉的圓柱殼，其行波共振等問題可能導致航空發動機事故。郭丹的博士論文針對這一問題，建立了高速旋轉圓柱殼的有限元模型，考慮了科氏力、離心力、初應力及大變形幾何非線性。她發展了一套計算方法，用以計算圓柱殼的固有頻率及非線性動態響應，並研究了其在各種復雜條件下的動力學性態。這些研究成果已被應用於高速旋轉圓柱殼結構的設計中。

團隊師生在意昂体育平台博士論文答辯會上留影

博士後階段，郭丹將研究視角轉向了汽輪發電機組轉子軸承系統故障診斷。她通過建立系統力學模型和分析現場信號，識別並解決大型轉子系統中的油膜渦動、不平衡電磁拉力、轉軸裂紋、軸承碰磨等問題。這一階段的工作，不僅加深了她對機械系統的理解，更為後續的研究打下了堅實的基礎。

在科學的海洋裏，每一顆探索的心都是一艘揚帆的船，迎著未知的風浪，勇往直前，郭丹的求索之旅，正是這樣一段乘風破浪的航程。幸運的是，一路有父親和良師益友指引相伴，她更加強烈地感受到了機械科學的魅力，篤定以最純粹的方式，詮釋著對科學的熱愛。

感受機械摩擦之美

在清華園，郭丹與國內頂尖的學者並肩，探索科學更深層次的奧秘，這讓她感到無比的快樂和滿足。隨著經驗的積累，這些年來，她立足國家戰略需求和行業前沿，不斷調整研究方向和細分內容，多年深耕，換來了累累碩果，也獲得了同行的認可和贊譽。她目前發表學術論文200余篇，先後於2010年、2014年和2023年獲得高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎一、二等獎，在2018年獲國家自然科學獎二等獎。

一、探尋旋轉機械之奧妙

旋轉機械，如航空發動機、大型汽輪機等，是現代工業的心臟，而滾動軸承和傳動系統就像是保證心臟跳動的動力傳遞核心。它們的穩定運行直接關系到一個國家的能源供應、交通運輸乃至國防安全。然而，在非常態工況下，這些機械的轉子-軸承系統會面臨復雜的受力情況，可能導致潤滑失效、系統故障甚至徹底失效。

“傳統理論未能有效解決非常態條件下的潤滑和動力學問題。旋轉機械在非常態條件下的潤滑規律和作用機製、動力學行為，以及失效和故障診斷方法已成為當今機械摩擦學的前沿研究領域之一。”對郭丹來說，這項研究是國家和行業需要，同時也是自己的興趣所在。為攻克相關難題，她將自己早年在動力學、潤滑和故障診斷等方面積累的知識和經驗集成融合，帶領團隊取得了一系列的創新成果，包括利用光幹涉和平衡加載技術，研製潤滑綜合測量儀，首次實現了3.6 GPa高負載下潤滑膜厚度的精確測量；結合熒光示蹤和紅外測溫技術，揭示了高剪切條件下油膜局部溫升導致的潤滑失效機製；通過熒光示蹤和分子動力學模擬，研究了微間隙條件下納米顆粒的運動規律及其局部切削拋光機製，發展了測量納米顆粒機械特性的新方法；建立考慮高速旋轉效應的三維結構有限元模型，揭示了旋轉引起的結構剛化、幾何非線性和非線性振動響應，提出了防止振動失穩的方法等。

這些成果不僅在理論上具有重要意義，而且在實際工程應用中具有廣泛的應用前景，為解決旋轉機械在非常態條件下的潤滑和動力學問題提供了新的視角和方法。相關成果成為2014年高等學校科學研究優秀成果獎自然科學獎二等獎的重要支撐。

二、微觀非接觸狀態有“摩擦”嗎

隨著科學向微觀領域深入，人類科學探索的鏡頭也逐漸聚焦，從宏觀世界的廣闊景象，逐漸拉近到微觀世界的精細紋理。在這個尺度上，常規的物理定律逐漸讓位於量子效應，一個充滿未知和可能性的新世界向我們敞開大門。

郭丹的研究興趣也逐漸拓展到了機械的微觀世界。起初，她開始深入探索研究納米顆粒的特性和運動過程。這一跨學科的研究，不僅豐富了她的科學視野，也為後續的研究奠定了堅實的基礎。值得一提的是，她對納米顆粒的研究，不僅涉及基礎科學問題，更觸及集成電路製造等實際應用。這一跨學科的探索，體現了她對科學的全面理解和深刻洞察。

微觀非接觸狀態有“摩擦”嗎？對這一問題的探究是郭丹在微觀機械世界探索的一個重要方向。

“在過去的幾十年裏，宏觀接觸表面摩擦學的理論和實踐都得到了空前的發展。在宏觀機械運動摩擦中，通常不考慮分子原子的相互作用，這是由於它們與接觸表面的相互作用相比太微弱，可以忽略。但是在微觀尺度下，如在微納米機械中，這些作用則不可忽略。微觀非接觸狀態下，有很多種神秘的力量也在產生著摩擦。如何準確測量微尺度下的超低摩擦力是一個巨大的挑戰。”在興趣和愛好的牽引之下，郭丹在相關領域投入研究。非接觸摩擦產生的原因是什麽？與接觸摩擦相比，非接觸摩擦的測量難點主要展現在哪些方面？國際上有哪些具有代表性的非接觸摩擦及測量技術？……隨著研究的日益深入，引領相關領域發展方向的諸多有益探索得到總結和歸納。“德國雷根斯堡大學、IBM蘇黎世研究實驗室、瑞士巴塞爾大學等，在非接觸摩擦及測量技術方面做出了很多前沿探索，引領了這個領域的發展方向，他們的技術代表了世界最高水平。為了克服傳統非接觸測量中懸臂振動溫漂及失穩等問題，2000年德國雷根斯堡大學開發了qPlus技術，采用高頻振動的石英音叉代替懸臂式力傳感器，使針尖可以在亞埃振幅工作，從而大幅提高了短程力的探測靈敏度。2009年，IBM蘇黎世實驗室利用qPlus技術結合針尖修飾技術，成功探測到了氫鍵的長度及角度，其力測量精度達到了pN量級。這一成果被《科學》雜誌評為2009年十大科技進展之一。”盡管近年來微尺度下的超低摩擦測量方法取得了許多出色的研究成果，但郭丹介紹，領域在理論及技術方面仍然需要進一步完善，特別是非接觸摩擦測量方面，國際上只有少數幾個實驗室能夠實現高精度非接觸摩擦耗散的測量，國內與世界先進水平之間存在較大差距。

通過發展高靈敏度的摩擦耗散測量技術，在微尺度下開展摩擦行為和控製這一典型共性問題的研究，對揭示摩擦起源及耗散機製具有重要的意義：從學科發展上講，是對摩擦學研究內涵的補充；從實踐上來講，可解決微/納器件及高精度測試設備中存在的共性技術問題，對提高微/納器件及超高靈敏度測試裝備的工作可靠性具有重大的理論指導意義。

三、非接觸測量的利器

工欲善其事必先利其器，科學研究的發展離不開先進的工具和技術。多年深入微觀機械領域探索，郭丹深知“利器”的重要性。

“傳統原子力顯微鏡接觸模式由於無法解決探針的跳觸問題與測量精度之間的矛盾，無法測量近表面的非接觸作用力。非接觸測量模式是利用探針懸臂在樣品表面附近振動，通過表面力對懸臂振動幅值、頻率及相位的改變，從而獲得所需要的形貌及非接觸表面相互作用等信息的測量方法。”很長一段時間，郭丹將研究目光聚焦在原子力顯微鏡這一“實現原子級別非接觸摩擦測量的有力工具”上，意圖通過研究原子尺度非接觸摩擦測量技術，揭示原子尺度非接觸摩擦的起源及能量耗散機製等。多年深耕，她和團隊取得了一些創新成果，如研究微懸臂多頻激振的測量理論及測量控製方法；研究同時測量法向力和橫向力的測量方法等，這一成果不但在微納米級測量技術方面是一個突破，在原子尺度非接觸摩擦方面，也能獲得更多的相互作用力信息，為揭示非接觸摩擦起源及能量耗散機製提供有力的手段。

從碩士階段開始接觸科學研究算起，郭丹在科學的海洋裏“追逐浪花”已經有30余載，其間科學研究以理論為主，也有涉及應用研究。她博士期間的研究成果，如今已成為商業軟件中不可或缺的模塊，她的算法在旋轉物體的固有頻率計算中發揮著重要作用。此外，她的團隊開發的故障診斷系統，已經在工業現場得到應用，為汽輪機組的維護提供了科學的指導。對理論與成果轉化，她一直持有平和的態度。她認為，科學家的職責在於發現與創新，而將這些創新轉化為社會的實際價值，則需要與產業界的緊密合作。從興趣上來講，她更傾向於專註做科研，而產品的市場轉化則交給擅長此道的人。

科學研究從無坦途，雖然也曾面臨不少挑戰，難題層出不窮，但要羅列一二，郭丹始終表示很困難。因為在她的字典裏，困難並非障礙，而是通往新發現的必經之路。在她看來，這是科研工作者的日常，不必介懷，要微笑面對。

水木清華園裏盡情綻放的荷花

盡管有多年沉積的底蘊和累累碩果在身，這些年也承擔過不少管理的職務，包括擔任重點實驗室副主任和研究所副所長等，培養出了一批又一批年輕人，但郭丹給人的感覺跟原先那個對機械物理科學充滿熱愛和向往的純真女孩沒什麽兩樣，不帶任何雜念，更在意探索和發現的樂趣。以科學為伴，以實驗為樂，她的生活因科研而豐富多彩。

郭丹（前排左3）與畢業生合影

讓郭丹感到無比快樂和高興的是，在清華園裏，有一群和她誌同道合的師生同伴。“西山蒼蒼，東海茫茫，吾校莊嚴，巍然中央……”水木清華，鐘靈毓秀，這裏，曾孕育了無數傑出的學者和燦爛的成果，如今有更多優秀的學子聚集在這裏盡情展現書生意氣，揮斥方遒。在這裏，郭丹不僅找到了自己的學術和精神家園，更期望在這片沃土上深深紮根，培育出更多繁茂的枝丫。

與當年導師的嚴厲不同，郭丹與學生相處，更多的是扮演“知心大姐”的角色。但在很多方面，她始終保持著與導師共同的習慣和理念：心無旁騖地快樂追索科學真理，不忘清華嚴謹的學風，強調擁有博大的胸懷，不斷給學生創造學術自由、交流碰撞的開放環境等。

郭丹每周都會給學生開一次組會，而她所在團隊的組會是出了名的“熱鬧”。組會上，學生會將自己在科研中遇到的問題一一反饋。面對他們遇到的困難，郭丹也從不置身事外，而是帶領大家一起討論，共同尋找解決問題的思路。除了問題反饋之外，她還鼓勵學生在組會上勇敢地提出自己的觀點，無論是對當前學術熱點文獻的分享，對現有理論的挑戰，還是對未知領域的好奇提問，都能在這裏得到響應、尊重和鼓勵。清華的學術精神在這裏得到很好的傳承與發揚。

“正如清華園中的荷花池，靜謐而深邃，每一朵荷花都在這裏綻放自己的美麗，每一片荷葉都承載著生命的重量。學術自由是培養獨立人格和創新精神的土壤。”在郭丹看來，清華的每一位學生都很優秀，他們每一個人都是獨特的個體，都擁有無限的潛力和可能，而她需要做的，就是維護好這片讓他們能自由成長的沃土，樂看花開。

和很多女科學家一樣，郭丹在很多場合都會被問到“作為一名女科學家，事業和家庭如何平衡？”這一問題，她笑著揶揄說：“為什麽男士就不會被問到這樣的問題？”但同時也坦陳，女性在生活中確實需要扮演多重的角色，要想盡善盡美需要有在不同角色間找到平衡點的智慧。在科學的世界裏，性別不是界限，而是多元化視角和豐富經驗的來源。郭丹堅信，無論扮演什麽角色，無論面對何種挑戰，保持那份對知識的渴望和對未知的好奇心，是通往科學發現的永恒鑰匙。