科海无疆：胡教授与K大师学派间的国际科坛佳缘
直挂云帆济沧海：我与Keller（凯勒）学派的国际交流故事
拥有一个较为宽阔的学术视野，是学者深入系统地从事科学研究工作的重要前提。所谓“人外有人，天外有天”，国际学术交流活动为我们提供了非常好的机遇，让我们去见识“人外之人”，领略“天外之天”。江明老师前期“以文会友，共创科坛佳话”的文章（见《旦苑晨钟》2024年7月9日发文）对此有精彩发挥。我在复旦大学求学期间就一直得到江明老师的关心指导，如今是他公众号《旦苑晨钟》的铁杆粉丝之一。江明老师说我国际交流经历丰富，希望我也分享成长经历中的学术交流故事，也许能给正在或准备开启学术生涯的年轻朋友们带来一点点启发。
首先想到的是我与英国布里斯托大学物理系Andrew Keller（安德鲁·凯勒，图1）教授及其弟子们交往的故事。凯勒教授是高分子结晶学领域的泰斗、英国皇家学会院士（FRS），我心目中的学术偶像。
凯勒教授1925年出生于匈牙利布达佩斯的一个犹太家庭，这注定了他在二战期间苦难坎坷的命运。1943年他进入布达佩斯大学学习自然哲学。因匈牙利属于纳粹德国的盟国，受战争和反犹太主义运动的影响，他的学习变得异常艰难。凯勒后来被迫辍学关进一个犹太劳工营，颠沛流离。在一次转运途中，他寻机跳进灌木丛中逃脱。但不久又被俄罗斯军队俘获，遣往罗马尼亚的一个营地。后来他再次冒着生命危险，从营地逃脱，辗转于1945年2月回到布达佩斯，终于复学。1948年，他抓住了政治局势恶化中的最后一个机会，在博士毕业前夕（学位论文已提交，但还未拿到博士学位）从匈牙利穿过“铁幕”潜逃到英国。
在英国，凯勒虽为难民，但成功申请到了帝国化学工业公司（ICI）的研究员（research officer）职位。在ICI工作期间，凯勒进入了聚合物结晶学研究领域，开始用偏光显微镜等技术研究高分子结晶。牛刀初试，成果显赫。20多岁的他发表了16篇研究论文，其中5篇（包括他在布达佩斯研究论文中的两篇）发表在Nature（《自然》）期刊上 。为了能全身心地投入科学研究，1955年，30岁的凯勒转入到英国Bristol（布里斯托）大学，投身于物理系享有盛誉的著名晶体物理学家Charles Frank（弗兰克）爵士研究团队（弗兰克因二战时期发明雷达技术而授勋贵族头衔）。起初，由于没有博士学位，凯勒只能被称为“Mr.”，且不能带研究生。1958年，凯勒获得布里斯托大学博士学位，1963被聘为讲师，那时他已38岁。这位天才学子，虽年少时遭命运作弄，却终“大器晚成”！以后的学术道路，顺风顺水，辉煌不断。1969年凯勒拿到了当时英国大学极为难得的教授职位。
图1. Andrew Keller（安德鲁·凯勒）教授操作电镜的工作照（约1960年）
凯勒教授在布里斯托大学做了许多开创性的研究工作，特别是他在1957年第一个证明了高分子结晶链折叠模型（图2）。1950年代，应用Ziegler-Natta催化剂可以制备出高序列规整度的聚乙烯。凯勒发现这种聚乙烯可从稀溶液中生长出单晶。他利用当时很先进的电子显微镜和电子衍射分析发现，单晶厚度只有10纳米，且聚乙烯的链沿着厚度方向取向，然而链长是远远大于片晶厚度的，这是个很大的矛盾。凯勒由此提出并证明聚乙烯长链是以近邻规整折叠的方式形成了片晶。他的“链规整折叠模型”获得了弗兰克的高度肯定，并鼓励他独立发表。这是高分子物理研究中的里程碑式的重大成就。江明老师告诉我，1950年代末，尽管当时中国的高分子研究非常落后，且与西方科学界几乎完全隔绝，但他们还是知道凯勒的大名，知道他的聚乙烯单晶和链折叠模型，并且把它写进了国内高分子物理的讲义里。
1950年代末到60年代初，凯勒已蜚声国际，布里斯托大学的高分子物理研究组成为世界各地高分子学者的朝圣地。他于1964年发起成立了英国高分子物理学会（British Polymer Physics Group）。1972年，凯勒教授入选英国皇家学会院士（Fellow of The Royal Society，FRS）。美国化学会高分子材料科学与工程部定于1999年的美国化学会全国会议上，举办一场关于半结晶聚合物的国际研讨会，请凯勒教授作大会邀请报告。万万没有想到的是，凯勒教授竟于1999年2月7日突然去世！鉴于凯勒教授的杰出贡献，会议组织者决定将会议命名为“Symposium on Semicrystalline Polymers in Memory of Andrew Keller”（纪念安德鲁·凯勒的半结晶聚合物专题讨论会）。2000年高分子领域的老牌期刊Polymer （《聚合物》）出版了纪念凯勒教授的专集。并特别刊发了教授生前撰写的最后一篇论文，即关于他发现折叠链单晶经历的回忆文章（图3），为我们留下了又一篇传世经典。2021年，为表彰他的杰出贡献，布里斯托市政厅将他的故居设立为当地文化遗产并悬挂了蓝色牌匾（图4），在揭幕仪式上，剑桥大学的Alan Windle教授（艾伦·温德尔教授，英国皇家学会院士）讲了凯勒教授年轻时的一个故事：1948年，凯勒应聘ICI公司职位时，淘汰了另一位从牛津大学化学专业毕业的女性求职者，据说该求职者因面试表现出强势的个性而失利。后来她回家乡改行追随其父从政，这就是著名的英国政治家铁娘子撒切尔夫人。一个有趣的问题：如果凯勒当年在面试时表现得不那么好而被淘汰了，20世纪后半期的英国历史是否会被改写？
图2. 聚乙烯单晶电镜（左）和电子衍射（中）照片及其所证明的高分子链折叠模型（右）
图3. 凯勒教授发表在Polymer上的生前遗作，关于他发现折叠链单晶经历的回忆文章（https://doi.org/10.1016/S0032-3861(00)00269-X）
（黄色高亮部分为国际著名高分子物理学家、Polymer期刊资深主编程正迪（Stephen Z. D. Cheng）教授所作注解：1998年感恩节周期间，这份稿件被带到我面前，那是安德鲁·凯勒教授最后一次访问阿克伦。访问期间，我们讨论了该稿件在《聚合物》杂志上发表的可能性。他返回布里斯托后，我就这份稿件与他进行了多次交流。遗憾的是，由于他的突然去世，这一进程被迫中断。我认为在这期特刊上发表他最后撰写的这篇稿件是非常合适的，以此来纪念他对聚合物科学的伟大贡献。编者译）
图4. 2021年布里斯托市政厅在凯勒教授（左）故居设立的文化遗产蓝色标识牌（右）：“安德鲁·凯勒，英国皇家学会院士（1925 - 1999），匈牙利难民，发现了聚合物单晶中的链折叠......于1966 - 1999年居住于此”
我与凯勒教授的第一次交往发生在1990年，当时我在复旦大学读硕士一年级，刚开始从事高分子结晶学研究。我的导师卜海山教授邀请凯勒教授来访，并举办了他关于高分子折叠链单晶研究的讲座（图5-6）。我事先研读过他以前的助理、也是他的第一个正式研究生Bassett教授撰写的《高分子形态学原理》专著，有了一些知识储备，这使我从他的学术报告中收获满满，相关的部分内容后来融入我撰写的专著《高分子结晶学原理》的“高分子单晶”一章中。他的讲座风格极为独特，令我至今印象深刻。他以一种近乎痛苦的表情，介绍高分子折叠链单晶研究中还有哪些神秘之处没有得到合理的解释。这次演讲让我深切感受到了他那种醉心科学研究的纯粹精神，可谓是书生气获得了同频共振，让当时懵懵懂懂的我更加坚定了从事科学研究的个人志向。凯勒教授非常平易近人，一点架子也没有。我奉导师命陪同教授乘船游览黄浦江，轻松愉快。在看完船上的文艺表演后，教授拉着我到一个空餐厅坐下来。随即拿出纸笔向我介绍起他关于聚乙烯折叠链片晶生长前沿存在“增厚中间相”的想法，相关的正式研究论文两年后才发表出来。国际知名学术大师竟与我这么一个一年级的“小硕”在游览间隙探讨尚未发表的最前沿学术思想，真使我感动，也深深地为大师的宽广心胸与纯粹的学者风范所折服！我算是半懂不懂地提前了解到了他的这一前沿思想，为我以后能轻松自如地理解其后续的相关实验研究和该模型的拓展应用，特别是晶体生长前沿的增厚过程在生长动力学中的重要作用奠定了基础。
图5. 1990年凯勒教授讲座现场照片，从左至右：李文俊、于同隐、江明、卜海山、凯勒
图6. 1990年凯勒和于同隐先生与卜海山课题组师生合影。左起：庞嬿婉、凯勒、宋丹丹、于同隐、卜海山、胡文兵、陈尔强
1996年钱人元先生在北京组织召开了高分子凝聚态物理香山会议（图7），我有幸参加，再次见到了凯勒教授。我不能放弃这个与大师面对面学习的好机会，事先准备了八个当时所能想到的高分子结晶学相关问题，向他请教。在会场，他遇到我的导师于同隐先生，于先生以为我与他不熟，主动把我介绍给他，结果他当场向于先生夸奖我说：“You have an ambitious student”（你有一位雄心勃勃的学生），这对我是个鼓舞，于先生听了也很开心。在那次会议的墙展交流环节，德国马普高分子所的创始人之一E. Fischer（费歇尔）教授（凯勒教授的终生合作伙伴和好友之一）来到我的墙报前，与我讨论了我的结晶模拟结果。费歇尔教授也是我非常敬仰的高分子结晶学前辈，我知道他退休后转向研究高分子玻璃化转变，就与他讨论起了高分子跨尺度玻璃化转变的想法，即非晶线型高分子本体的橡胶态也算是其玻璃化转变的一部分，不知不觉讨论了近两个小时。我突然意识到费歇尔教授作为一位已退休的老人，居然一直站着与我讨论了这么长时间，我心怀歉意，但心里也更加敬佩他的敬业精神。最近，我们课题组开展了应力松弛的分子模拟研究，为高分子跨尺度玻璃化转变的猜想找到了其非线性黏弹性转变机制的理论证据。
图7. 1996年高分子凝聚态物理香山会议合影。前排左四起：于同隐，费歇尔，凯勒，钱人元，王佛松，韩志超。蓝色箭头所指为笔者（胡文兵）
1997年我有了出国留学深造的想法。我参加了钱人元先生在桂林举办的高分子物理国际研讨会（PP系列会议），在见到凯勒教授时，我向他口头提出了博士后申请。他说刚退休，没有研究经费了，如果我能自带经费来，他就很乐意接收我。遗憾的是当时还没有国家留学基金这类资助渠道，我的愿望未能实现。在会议的墙报交流活动中，我饶有兴致地旁听了法国Charles Sadron研究所的Bernard Lotz（罗茨）教授热情洋溢地给中国科技大学马德柱教授介绍高分子球晶内部的半结晶织态结构的讲解。两个多小时的详细讲解从折叠链片晶到如何分叉生长出辐射状的球形结构，让我眼界大开。我被安排在第二天上午最后一个分会口头报告，主持人是德国弗莱堡大学的Gert Strobl（施特罗布尔）教授。当时做报告用的都是事先复印好的胶片投影到墙上的幕布上。我没什么制作经验，胶片上的标题字体做得太大，投影到墙上更是显得巨大无比。为了掩饰尴尬，我只好开玩笑说这么大的字体说明我报告的题目很重要，引来哄堂大笑。施特罗布尔教授当时非常宽容地让我把原本规定15分钟的口头报告拖到了35分钟，那是大会特邀报告才能享有的待遇呀！可能是我的这个超长报告让教授“印象深刻”，我后来顺利申请到了他那里的博士后位置。
虽然很遗憾没能成为凯勒教授的博士后，但他教过的弟子们后来陆续都成为我学术生涯中的亲密朋友和合作伙伴，彼此因志同道合而相互激励，相互启发。从事科研数十年，我参加过世界各地举办的各种学术交流活动，似乎时时都能感受到凯勒教授的无处不在，我也成了凯勒学术家族的一个“编外”成员。
英国谢菲尔德大学物理系的Jamie Hobbs（霍布斯）教授曾是凯勒教授的博士后，他采用高分辨原子力显微镜观察高分子结晶机理，成果显赫。2006年他与我合作成功申请到了科技部中英合作项目，让我有机会先后带两批学生去谢菲尔德大学访问交流。合作研究收获丰硕，他丰富的高分子结晶学实验研究经验启发了我课题组后期许多分子模拟的研究工作。当然，参与学术交流的研究生们（图8-10）更是因此打开了国际化的学术视野。
图8. 2006-2007年我（右一）组学生与Hobbs（右三）组学生在南京大学汉口路校门
图9. 2006-2007年我（左三）组学生与Hobbs（左四）组学生在谢菲尔德大学物理楼前
图10. 2006-2007年我（后排右一）组学生与Hobbs组学生在南京紫金山天文台
谢菲尔德大学材料科学系的Goran Ungar（翁家然，现为浙江理工大学外国专家）教授曾是凯勒教授的博士生。他采用散射技术解析液晶和高分子的晶体结构，发表了很多经典的研究论文。前几年，翁家然教授发表在Nature上的解析液晶分子堆砌结构的一篇论文，与沃森和克里克的那篇著名的DNA双螺旋论文并列入选了Nature期刊过去一个世纪所发表的十篇里程碑式论文。我去谢菲尔德交流访问的时候，经常与翁家然一起吃饭，我们有了更多的了解。教授在高分子结晶学领域的经典研究成果是短链烯烃齐聚物结晶的整数次折叠及其晶体生长速率自中毒现象。我们与翁家然教授合作，采用蒙特卡罗分子模拟复现了这一晶体生长自中毒现象。我们还对其机理提出了一个初步的理论猜想。为了获得翁家然教授对我们这个猜想的认可，我和教授当面讨论交流。翁家然坚信其师兄Sadler（萨德勒）博士提出的晶体生长活化能阻力项理论解释，我最初的猜想被他严密的逻辑思维所瓦解。但我又觉得萨德勒的解释过于理想化了，于是被迫跳出晶体生长阻力项这个传统的思考方向，从晶体生长动力学的片晶厚度驱动力项入手，找到了一个更加合理的理论解释。这一合作研究让我打开了高分子折叠链片晶生长动力学理论研究的另外半扇大门，也对前期所提出的链内成核模型有了更加系统全面的理解。翁家然教授退休后在浙江理工大学任外国专家，他牵线我课题组与罗马尼亚Timisoara高分子研究所所长Lilia Cseh教授课题组建立了合作关系（图11），我们成功申请到了科技部中罗双边合作项目。于是2019年我有机会带学生去罗马尼亚交流访问（图12），开阔了学术和文化视野。
图11. 2018年，我（右一）与Ungar教授（左二）、Ungar教授夫人（左一）和Cseh教授（右二）在浙江理工大学
图12. 2019年，我（左二）和研究生何裕成（左一）、王优浩（右二）和谢科锋（右一）在罗马尼亚Timisoara高分子研究所
日本广岛大学综合科学系的Akihiko Toda教授曾是凯勒教授的博士后，他在高分子结晶动力学及其热分析领域成就斐然。2007年他邀请我去广岛大学做一年的访问教授，由于我当时在南京大学有教学任务和课题组学生，只能利用寒假去了三个月。这三个月让我能远离喧嚣，静下心来思考课题组未来的主要研究方向，在Toda教授的影响下，我决定聚焦高分子晶体生长动力学方向，厘清高分子结晶链折叠的基本机制。
再有，西班牙巴斯克大学聚合物研究所的Alejandro Müller教授曾是凯勒教授的博士生，也在高分子结晶动力学及其热分析领域成就卓著，与我有多次的学术互访和合作发表学术论文经历。2019年他在西班牙圣塞巴斯蒂安成功举办了黑森林系列高分子结晶学国际研讨会。
荷兰埃因霍温理工大学的P. Lemstra教授是国际知名的高分子大家，他也曾是凯勒教授的博士后。他是帝斯曼公司超高分子量聚乙烯纤维凝胶纺丝工艺的两位发明人之一，该纤维的最高模量可接近金刚石。我2002年发表单根链诱导串晶生成的模拟论文后，他专门邀请我去埃因霍温做讲座并详细研讨其机制。后来多次在世界各地见到他，成为我多年的好友。还有同在埃因霍温理工大学任教过的Sanjay Rastogi教授也曾是凯勒教授的博士生，自然也是我多年的好友。
凯勒教授的偶像力量以及他弟子们的支持与合作一直激励着我前进。“直挂云帆济沧海”，经过大约三十年的学术积累，2018年我应邀在物理学领域有重要影响力的综述性期刊Physics Reports上发表了综述“The Physics of Polymer Chain-Folding”（聚合物链折叠的物理学），这是我继承和发扬凯勒教授的学术思想的心血之作。这一代表作也促使我2020年获得了美国物理学会会士（APS Fellow）的荣誉称号。
郭明雨，姚琳通 编辑