2017年为什么要来美国读PhD

本文是一名在美国计算材料学就读博士的留学生所写，Why PhD？Why Materials Science？文中就有答案，仅供学生们参考。 不知不觉来美国也快两年了，一直想找个机会总结一下自己。正好最近刚过了博士资格考试，借着这个契机想写篇文章回顾一下自己走过的路。加上最近不断在网上看到一些有关于读博的言论，比如 科研穷三代，读博毁一生 ， 学材料没澳际 等等，我对此颇有不同的看法。而且自来美国后就不断有同学问我申请和深造的一些情况，个人该如何选择等问题。我这里就把我的想法和心路历程写一下，也算是给大家一个交代。 我之所以做出来美国读博的选择，是基于对三个问题的不断思考，那就是：为什么要读博士?为什么做材料研究?为什么做材料计算? Why PhD? 为什么读博士?或者说，为什么选择做科研?在人生的黄金时期(大学毕业到30岁之前) 投入4~5年的时间去干一件事，机会成本很大。做出这样一个重要决定，必须有极其充分的理由。不同的人对此有不同的答案，对我来讲，主要原因有两个：第一，我想理解这个世界。我们每天生活在这个世界，吃饭，喝水，睡觉。。过着习以为常的生活，可是很少有人真正想去理解身边的世界，为什么她会是这个样子?小时候的我从来不是一个做题高手，做习题不多也不快，但是我喜欢思考这个题目背后的物理本质，一旦想通了，就会有极大的满足感，如果想不通则浑身不舒服。著名的物理学家Richard Feynman有本书的名字就叫 The Pleasure of Finding Things Out ，这种感觉就像是和Nature在捉迷藏，一旦玩赢了就有很大的成就感。细细想一想，人生几十年是如此短暂，如若这个奇妙纷繁的世界对于自己一直是一个谜一样的存在，完全不能思考和把握，那岂不是非常遗憾的一件事。所以在这种对探索和理解的渴求下，或者说是一种对世界的好奇心的驱使下，我很想去读Ph.D.(Doctor of Philosophy)。导师经常跟我们说，每个读完PhD的人都要成为一名哲学家，对世界有自己的思考，并且掌握理解和改造世界的方法。 这就提到了第二点，即改造世界，做出属于自己的贡献。用一句老美常说的话，就是：To make an impact. 我们身处一个激动人心的时代，科技在人类生活中扮演着重要角色，而人类也面临着前所未有的挑战：能源、人口、疾病、环境。。。这些重大挑战任何人想凭一己之力都是不可能攻克的，但是我很想用我所学的东西贡献出我自己的微薄之力。我想举一些我身边inspire我的人的例子：首先是我们系的James Adair教授，他的部分研究是关于羟基磷酸钙纳米粒子的drug delivery的，用来做癌症治疗。他组里的人告诉我说其实Adair老师本身就患有癌症。。。可是他每天依然充满热情的上课，工作，指导学生。在一个采访他的视频里，当被问起他为什么从事生物材料相关的研究的时候，他说：the impact of this research will be profound. 这种影响不仅对他自己，更是对其他更多需要帮助的患者。第二个例子是我TA的热力学课上认识的同学Lance大叔，他是ALCOA (美国铝业公司) 派过来读博的工程师，已经30多岁了，两个孩子都不小了。他告诉我ALCOA送他来Penn State读博是为了将来回美铝从事一项革命性的工作，就是开发基于TiB2的电解铝阴极的润湿涂层(中南的刘业翔院士曾经做过这方面的研究)。因为电解铝是一项高耗能的工艺，如果这项技术的技术瓶颈突破的话，整个电解铝工业的能耗和成本将会被极大改善，影响将是革命性的。每次他提到自己的工作都是神采飞扬，在热力学课上他也是极为认真的。有一次我代完课后他过来和我讨论了好久，因为他说我提到的一个基于热力学稳定性来选择材料的idea可能会被用在他的研究里。这次他的博士资格考试也顺利通过了，衷心希望他的project能够成功。最近系里接连请了一些大牛speakers来讲自己的工作，比如MIT的电池牛人Yet-Ming Chiang，Boeing公司指导787梦幻客机研发的研发部经理，NSF的director做生物材料力学的Subra Suresh。他们充满激情的talk都让我感到，学材料是多么有用。 这两点有些人可能会觉得很虚，但我认为很重要，因为他们是很多热爱科研的人读博的原动力。否则为什么会拿着比工业界少得多的钱来辛辛苦苦读PhD呢?很多的中国留学生来美国读博，可能更多的是看上了美国的生活条件，亦或是美国名校的光环，或身在异国的新鲜感。这些都是值得考虑的因素，无可厚非。但说实话，我来到这边也没有觉得美国的生活条件比国内一线城市好到哪里去。。。从吃的方面讲还不如国内舒坦，可唯一不能比的就是整体的学术和科研环境。当表面的东西成为了留学的主要动机，那很可能会带来后续的苦恼和迷茫。因为看似光鲜的东西带来的满足感会持续得很短暂。 Why Materials Science? 为什么念材料专业?有些同学抱怨材料不好找工作，没澳际。我的看法正相反，我认为材料是最有澳际的专业。前些天在youtube上看到一段对MIT材料系的教授Jfery Grossman的采访。当被问到为什么选择研究材料学的时候，他说了一段话，我深以为然。大意就是：材料学发展到今天到了一个前所未有的黄金时期，因为在我们所处的时代有三方面的机遇恰好汇聚在了一起。一是人类对于物质的操纵能力达到了前所未有的高度，很多新的材料制备方法层出不穷，从而使得人类能够精确控制材料的纳米结构甚至单个原子，这是以前所没有的。二是凝聚态理论和计算机模拟的能力得到了长足的进步，现在很多材料性质已经可以在实际制备表征之前就由强大的并行计算集群预测出来，从而使材料研究从传统的试错法一步步走向理性的 设计 。第三点，也是最重要的一点，当今人类面临的重大挑战，能源、信息、环境。。其核心解决方案就是更好的材料。我们需要更好的锂电池和太阳能电池来发展可再生能源，需要更快的晶体管来延续摩尔定律，需要更轻更强的材料来武装汽车和飞机。。你永远也不会缺少有趣且重要的问题去解决。三个要素(Precise control of matter, theory and computation, critical problems facing humankind) 的结合，决定了材料学的重要地位。而且比纯物理研究更好的是，你知道你的研究会make an impact in people s lives。比如我现在做的Mg合金和Mg电池方面的研究，每当我想到Mg合金将来可能会被应用到每家每户的汽车上的时候就特别起劲，因为你知道自己在make a difference。 数学大师Hilbert说过，当一个学科有源源不绝的问题被提出时，正象征该门学科的蓬勃发展。相反的，如果没有问题被提出，便代表学科的衰微没落。材料科学与工程有源源不断的问题，这不仅是人类社会发展到今天的一个机遇，更是由其自身的学科属性所决定的。凝聚态物理，或者材料科学，是一门emergence(译为 层展 或 涌现 )的学问。凝聚态宗师Philip Anderson在1972年的Science上的文章 more is different 就阐释了这个道理，即基本粒子构成的巨大复杂的集聚体及具体行为并不能依据少数粒子的性质做简单外推就可以理解。正相反，复杂性的每一个层次中都会出现全新的性质。材料本身就是多尺度的，原子- (分子)- 介观微结构- 宏观性质，每一个层次性质的改变都会影响材料的最终性能。况且材料的性质本身也是极其复杂和多面的，广义上讲有力热光电磁性能，细分的话更是变幻无穷，单拿力学性质来说还分强度、塑性、韧性、可加工性、疲劳强度等等。。还有不同性质之间的相互作用。而且材料本身细微的成分，每一个细小的加工工艺参数，服役条件的差别都会对其性能造成巨大影响。可以说，材料学是复杂性的科学，可研究的问题几乎是无穷无尽的。可是这种复杂性带来了新的问题，如何去理性的根据人类的需要去设计材料?这就引出了下一个疑问，为什么要做材料计算? Why Computation? 大一的时候我对什么是有价值的科学研究还是懵懵懂懂。拜中国基础教育极强的还原论风格所赐，我曾经幼稚地认为一切结论都能够从基本原理一步步推导得出，实验只是用来验证推导的结果。。。可是大二进实验室一看，根本不是这回事儿，材料体系太复杂了，大部分实验的性质就是对一个体系改变成分或者工艺参数，表征一下性质，再循环往复。。。trial and error的性质很强。而老师们所用的理论也是极其唯像的，几乎不具有任何预测性。难道这就是真正的材料学研究吗?直到大二下碰到了恩师杜勇老师，他把我引入了材料计算这个领域，我才知道有这么一个领域是专门通过理论计算和模拟来解释和预测材料科学里的现象。我一下就喜欢上了这个领域，不仅因为做材料计算可以学很多东西(材料，物理，化学，数学，计算机编程)而且我隐约感到如果人类有朝一日真的能够按照自己的意愿来设计材料，那将带来不可估量的影响。 之后，我继续在杜勇老师的课题组学习，并相继阅读了Prof. Gregory Olson在Science的千禧年特别刊上发表的 Design a new material world 综述和2008年美国国家工程院发表的ICME (Integrated Computational Materials Engineering，集成计算材料工程) 的白皮书，大师们描绘的美好蓝图更坚定了我投身材料计算这个领域的想法。而且我想去这个领域领先的美国去学习。为此我查遍了美国所有材料系做计算的老师，发现Penn State的Zi-Kui Liu老师的课题组是我最向往的，不仅因为他的研究和我的背景最match，更是因为他有着将材料计算集成应用到实际材料生产中的vision，即整合第一性原理计算，相图计算，相场模拟，有限元计算等方法共同指导材料设计。所以最后我只申请了Dr.Liu一个组。刘教授招人也是豪不含糊，出了很多道题考我，最后还让我优化一个二元体系给他，所以回想起2010年毕业设计那段时间，不仅要做本科的论文，还要搞刘老师的课题，忙的焦头烂额。本来4月份已经收到了Penn State的拒信，我当时想可能是自己水平还不够吧，在杜老师这里继续念也挺好的。没想到6月份刘老师来中南访问，在听完我的presentation后，当即给了我offer。之后在美国的一年半里，上课，TA和research方面我都竭尽全力，丝毫不敢怠慢，因为我深知这个机会是非常难得的，我一定不能浪费。 来到美国的这仅一年半里，我进一步见证了材料计算这个领域的迅速发展，一次次验证了我对这个领域澳际的判断。2011年7月份我有幸参加了TMS学会举办的第一届ICME集成计算材料工程全球大会，这是我第一次参加国际学术会议。会上各种教科书和paper里的大牛都变成了活人，怎能不让我激动:)。而且平生第一次学术会议就是计算的主题会议，这也是我和材料计算的缘分吧，呵呵。接着在2011年中旬奥巴马又宣布了启动所谓的 材料基因组计划 (Materials Genome Initiative, MGI)，对材料计算，实验和数据库进行投资。刘老师特别高兴，因为这和他一直以来的vision是完全契合的。系里也举办了关于MGI的一系列讲座。今年六月份刘老师将带着我们组的ESPEI软件去华盛顿申请一笔大经费，希望推广这个软件成为MGI的foundation，我衷心祝刘老板好运。当然，计算远远不是万能的，和许多新兴领域一样，很多浮夸的现象也出现了。我希望通过我和其他计算材料工作者的努力，让这个领域扎扎实实发展下去，不要成为另一个泡沫。