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“多相复杂系统国家重点实验室”的前身和发展要追溯到半个世纪之前。1956年8月,郭慕孙先生回国后,创建了我国第一个“流态化研究室”,任主任、研究员。经过30多年坚持不懈的探索、实践、创新,建立了研究队伍,开拓和发展了流态化这一新兴领域,并在郭慕孙院士的亲自组织和领导下,于1986年10月,中科院批准成立了“多相反应开放研究实验室”,郭慕孙院士被任命为首任主任兼学术委员会主任,谢裕生和李静海研究员先后历任主任。实验室以液固和气固两个,和两个以上相间的非催化反应的固相加工为主要研究对象,取得了一批高水平的科研成果,培养了人才,成为我国化学工程应用基础研究方向有利于思想萌生和青年人才成长的场所。在几代人长达50年科研积累、人才培养和学科发展的基础上,2006年7月,科技部正式批准成立了“多相复杂系统国家重点实验室”,郭慕孙院士任名誉主任,李静海院士任主任,朱庆山为常务副主任。形成了以物质转化复杂系统内部结构的量化与调控为主旨的研究方向。

2015年4月,“多相复杂系统国家重点实验室”换届,现任学委会主任程津培院士,学委会副主任李静海院士,主任葛蔚研究员,副主任袁方利研究员、王维研究员、李松庚研究员、王军武研究员。

根据国家重点实验室及其在国家创新体系中的定位,我室一直将聚焦科学前沿、引领学科进步、解决重大问题、促进产业发展作为实验室的重要使命。

具体讲,本实验室把开创化学工程前沿,推动化学工程研发模式变革,解决国家经济和社会发展中的重大瓶颈问题作为实验室的中心任务。近三十年来,实验室一直长期聚焦化工过程中多尺度问题的研究,形成了以“能量最小多尺度(EMMS)”原理为核心的理论体系:物理上,其稳定性条件表述为控制机制之间竞争中的协调;数学上表述为多目标变分问题。以该原理建立的计算方法,突破传统计算流体力学精度和规模的限制,被国内外广泛应用于大型工业过程的开发和基础研究。与此同时,在研究不同问题的过程中,发现了EMMS原理对介尺度问题具有普适性,认识到针对各种类型介尺度问题建立一门交叉学科的可能性。为此,近年来提出“介尺度科学”的概念,并确定为实验室的主攻方向。

如图1所示,物质转化过程涉及材料、反应器和系统三个层次,它们分别对应物质转化相关产业技术研发的不同阶段,即:工艺创新、过程放大和系统集成。尽管三个层次研究的内容和对象截然不同,并形成不同的分支学科,但却具有以下共同的属性:

  • 多尺度复杂结构:三个层次分别均具有多尺度特征:材料层次包括分子/原子,分子/原子聚集体和宏观材料(如颗粒、薄膜等);反应器层次包括单颗粒(或气泡、液滴),颗粒聚团和单元设备;而系统层次则由单元设备、工厂和生态环境构成;
  • 对边界尺度认识较为深入:对三个层次涉及的边界尺度(即分子/原子、颗粒、单元设备和环境),现有认识已较为深入,并逐步形成不同的分支学科:化学、化学工程和过程系统工程;
  • 介尺度结构久未突破:对于三个层次中介于各自边界尺度之间的介尺度现象及其机理,即:介尺度1(材料或表界面结构)、介尺度2(非均匀结构)和介尺度3(系统集成),虽然人们认识到这三个介尺度问题对所在层次的性能影响十分显著,但对这三个问题本身的认识却十分有限,分别对应工艺创新、过程放大和系统集成阶段的瓶颈问题,成为现代物质科学和工程研发领域的焦点问题。

 物质转化过程三层次的多尺度特征和介尺度问题

 

因此突破上图中的三个介尺度瓶颈问题,并实现三者之间的两个关联,即:材料和反应器层次的关联以及反应器和系统层次的关联,是21世纪化学工程科学的前沿,也是实现化学工程研发模式由经验向量化过渡的关键!为此,实验室在长期积累的基础上,逐步将“多尺度研究”提升并聚焦到“介尺度科学”,旨在引领这一学科的发展方向,促进化工相关产业的升级和跨越式发展。

发展目标:希望通过长期坚持,实验室能够发挥两方面作用:1)推动介尺度科学发展成为一个对不同领域都适用的交叉学科;2)推动化学工程的研发模式从经验发展向量化设计(虚拟过程)变革,并解决能源和资源利用中的重大战略瓶颈问题。为我国过程工业老工艺的升级和新工艺的定量放大提供有自主知识产权的核心技术,全面提升我国过程工业放大与调控水平和国际竞争力,为我国过程工业的可持续发展做出不可替代的贡献。

 

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