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化學(xué)工程師是何方神圣？有人說是一群會掙錢的化學(xué)家，也有人說是一眾懂一點兒化學(xué)的機(jī)械工程師，有人說是一幫麻煩制造者，也有人說是一伙問題解決者，這些說法都有點兒道理，但都不全面。

工程師的基本訓(xùn)練是解決問題，不是制造問題，工程的四大支柱學(xué)科是機(jī)械、電機(jī)、土木和化工，也就是人們常說的機(jī)電土化，許許多多工程學(xué)科都是由此四個祖宗學(xué)科通過交叉衍生出來的，可謂兒孫滿堂，比如：能源、交通、航海、航空；又比如：計算機(jī)、軟件、信息、控制；再比如：建筑、環(huán)境、資源、地質(zhì)；還有：材料、冶煉、高分子、生物工程等等，不一而足，發(fā)展出了幾百個大大小小的子子孫孫工程學(xué)科。

工程學(xué)科的發(fā)展和演義可以簡單粗暴地編成口訣：

化工之歌

那么化學(xué)工程（簡稱化工）有什么特殊的地方呢？化工是化學(xué)與機(jī)械結(jié)合的產(chǎn)物，學(xué)科交叉的結(jié)果。

化學(xué)是理科（science），化工是工科（engineering），雖說理工一家，但還是有本質(zhì)區(qū)別的，理是發(fā)現(xiàn)（science is to discover），解釋現(xiàn)象，透過現(xiàn)象看本質(zhì)，創(chuàng)造知識，也可以說，理是“沒事找樂”，在牛頓之前，蘋果往下掉， 牛頓之后，蘋果還是往下掉，牛頓發(fā)現(xiàn)的引力沒有改變蘋果掉的方向，但后來的火箭和衛(wèi)星等等就是從這個發(fā)現(xiàn)搞出來的，搞理的人，好奇心很重要。

相對于理的發(fā)現(xiàn)，工就是創(chuàng)新（engineering is to innovate），解決問題，運(yùn)用知識做出新東西，橫空出世，也可以說，工是“無中生有”。工和理相依為命，理是基礎(chǔ)，工是應(yīng)用。比如說，蒸汽機(jī)、空調(diào)和冰箱，先是人們看到許許多多有趣的現(xiàn)象產(chǎn)生了疑問，為什么熱量很容易地從高溫物體轉(zhuǎn)移到低溫物體而不能自發(fā)地從低溫到高溫？為什么不能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響？由此歸納總結(jié)出了熱力學(xué)第二定律，設(shè)計出了卡諾循環(huán)，這是理。基于這個理，做出了蒸汽機(jī)、空調(diào)和電冰箱，這是工。理的四大支柱學(xué)科是：數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)和生物（數(shù)理化生），也有說要加天文和地理（數(shù)理化天地生），這幾大祖宗學(xué)科如今也是兒孫繞膝，其樂融融。

化學(xué)和機(jī)械的結(jié)合是一加一大于二的有機(jī)結(jié)合，發(fā)展出了化工，化工需要化學(xué)和數(shù)理作基礎(chǔ)，搞化工的人必須掌握化學(xué)的基礎(chǔ)知識，包括所謂的“四大化學(xué)”：有機(jī)化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)和分析化學(xué)，外加生物化學(xué)和高分子化學(xué)湊成“六大化學(xué)”，其程度不一定有專業(yè)化學(xué)家那么深，但同時對數(shù)理基礎(chǔ)知識要求比較高。化工跟化學(xué)的關(guān)系就是工跟理的關(guān)系，化學(xué)側(cè)重基礎(chǔ)，化工側(cè)重應(yīng)用，沒有化學(xué)的化工是無源之水、無本之木，沒有化工的化學(xué)是坐而論道、紙上談兵。

什么是化工？化工是什么？化工人會自豪地脫口而出：“三傳一反”！化工人對“三傳一反”有一份托付終生的情感。那什么是“三傳”呢？面對化工人的一臉陶醉是行外人的一臉懵圈，傳播、傳銷、傳染？不是！傳說、傳奇、傳真？也不是！是質(zhì)量傳遞、熱量傳遞和動量傳遞（動量傳遞也叫流體力學(xué)）。什么是“一反”？不是反動、反對、反省，而是反應(yīng)工程。“三傳一反”很專業(yè)，是化工的主要內(nèi)容，是化工人需要掌握的主要基礎(chǔ)知識。

那能不能用一句簡單明了誰都能聽得懂的話來定義化工呢？書本上網(wǎng)頁里有許許多多說法，各有各的優(yōu)劣，有些很雅，也有些很俗，雅俗共賞的說法不多。本人認(rèn)為比較恰當(dāng)?shù)摹盎ひ痪湓挕笔牵?/span>化工是有關(guān)材料與化學(xué)品生產(chǎn)與加工的學(xué)科，強(qiáng)調(diào)安全、可持續(xù)地盈利，需要利用計算機(jī)作設(shè)計、優(yōu)化和控制。這句“顯而易見”的說法，相信一定有人提過，只是本人孤陋寡聞，找不到出處，列不出引用文獻(xiàn)，有看官知道的，幫忙補(bǔ)缺，不勝感激。

化工一句話

化工一句話(One Sentence of Chemical Engineering)：

化工是有關(guān)利用設(shè)計、優(yōu)化和控制手段安全、可持續(xù)和盈利的方式生產(chǎn)與加工材料與化學(xué)品的學(xué)科(Chemical engineering is about production and processing of materials and chemicals in safe, sustainable and profitable ways through design, optimization and control)。

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化工的兩大基石是：反應(yīng)與分離。反應(yīng)與分離哪個更重要呢？都重要，說哪個不重要都有人跟你急，但分離比反應(yīng)更花錢，大約三分之二在分離，三分之一在反應(yīng)，比如煉油，就是把原油通過裂化（反應(yīng)）和精餾（分離）手段分級成汽油、煤油、柴油和重油。

反應(yīng)與分離各有三個基本問題：多遠(yuǎn)？多快？怎么搞？在反應(yīng)領(lǐng)域，首要問題是：反應(yīng)有沒有可能？能走多遠(yuǎn)？也就是，原料轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物能有多徹底？比如說，塑料是碳?xì)浠衔?，金剛石也是碳，能不能把塑料垃圾燒成金剛石呢?/span>能的話，收成幾何？這是個化學(xué)反應(yīng)平衡問題，這方面的知識是從一門叫熱力學(xué)的課程里學(xué)到的，熱力學(xué)是門非常有趣的課，許多哲學(xué)思想，很是高大上，比如熱力學(xué)第一定律，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式，但數(shù)量不變，一度電和一度熱的能量相等。又比如熱力學(xué)第二定律，雖然數(shù)量一樣， 質(zhì)量可不一樣，一度電比一度熱金貴，因為一度電很容易變成一度熱，而一度熱變回一度電就麻煩了。再比如，最低溫度是多少？不是在南極北極，極地的最低溫度好像沒低過零下100 攝氏度（℃），那太小兒科了，最低溫度叫絕對零度，0開氏度（K），即零下273.15攝氏度，想象一下那是個什么世界，冷得發(fā)抖？還能抖起來？一切都靜止了，還抖什么抖。熱力學(xué)還有個特點，就是不關(guān)心時間，熱力學(xué)里沒有時間概念，不在乎快慢，如果一個熱力學(xué)的教授老催著學(xué)生快交作業(yè)的話，好像不是個好的熱力學(xué)教授，熱力學(xué)只管可行不可行，管平衡，管多遠(yuǎn)，不管多快。

化學(xué)反應(yīng)有多快？總不能耗上一年半載生產(chǎn)幾公斤產(chǎn)品吧，喝西北風(fēng)去？這個問題需要動力學(xué)來解答，動力學(xué)就是關(guān)于速率的一門課，單位時間單位體積里能出多少產(chǎn)品？請記住，不是越快越好的，太快了也會造成麻煩，比如爆炸，關(guān)鍵是可控，要多快就多快，要多慢就多慢，安全生產(chǎn)才是硬道理。

課本上的許多知識在日常生活中是可以活學(xué)活用的，比如泡綠茶，高手泡出來的綠茶，過了夜還是綠綠的，一股清香，訣竅就在掌握反應(yīng)動力學(xué)，用開水泡上幾分鐘，把葉子濾掉，立即降溫，完美。因為綠茶沒有發(fā)酵過，含有碳水化合物，葉子繼續(xù)泡在水里就會發(fā)酵變黃變黑，又因為發(fā)酵是個氧化反應(yīng)，反應(yīng)速率跟溫度很有關(guān)系，溫度越高反應(yīng)越快，只有濾掉葉子降低溫度才能保持綠茶的綠色和清香，不妨試試。

催化是有關(guān)動力學(xué)的一門課，催化就是加快或減慢化學(xué)反應(yīng)，催化改變不了熱力學(xué)，但能改變動力學(xué)，可別小看催化，許多革命性的變化就是催化帶來的，比如，用乙烯做聚乙烯，二十世紀(jì)三十年代就做出來了，可是需要高溫高壓苛刻條件，很不容易，直到五十年代，齊格勒和納塔發(fā)現(xiàn)了四氯化鈦和三乙基鋁能在常溫常壓下催化乙烯聚合，還能制備聚丙烯，由此帶來了高分子材料工業(yè)革命。

解決了“多遠(yuǎn)”和“多快”，就?！霸趺锤恪绷?？也就是反應(yīng)器工程，反應(yīng)器的類型很多，壇壇罐罐，管管道道，立式、臥式，間歇、連續(xù)、半連續(xù)，模樣琳瑯滿目，但幾個基本東西還是一樣都要考慮的，停留時間分布，攪拌，加熱，冷卻，結(jié)垢等等。還有令人頭疼的放大問題，別以為實驗室燒瓶里做出來的東西都能大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，放大是一門很有講究的科學(xué)，因為太復(fù)雜，有時理論不太頂用，得靠經(jīng)驗一步一步地放大，這過程耗錢耗力又耗時，希望近些年如火如荼的人工智能理論對化工放大有所幫助，機(jī)器學(xué)習(xí)，工藝學(xué)習(xí)，結(jié)合工業(yè)大數(shù)據(jù)，藝高人膽大，繞過一些中試。

全憑經(jīng)驗毛估估的東西還不能算現(xiàn)代科學(xué)，應(yīng)該是藝術(shù)，藝術(shù)和科學(xué)很不一樣，科學(xué)是從復(fù)雜的現(xiàn)象中找出簡單的原理，想想宇宙多復(fù)雜，看看愛因斯坦公式E=MC2吧，簡單得要死！不服不行，還必須五體投地。數(shù)學(xué)是最美的語言，能用數(shù)學(xué)表達(dá)的東西盡量用數(shù)學(xué)表達(dá)，一句頂一萬句?？茖W(xué)從復(fù)雜到簡單，而藝術(shù)恰恰相反，藝術(shù)家能從單調(diào)無聊的生活中，司空見慣的環(huán)境里，看到凡人看不到的，說不清道不明的美，從簡單到復(fù)雜，也是真功夫?？垂儆信d趣的話可以上網(wǎng)看看塞·托姆布雷的《無題（紐約）》1968（Cy Twombly "Untitled (New York City)" 1968），看似無序卻有序，道是有序又無序，曾經(jīng)無題難為題，除卻無語不是語。無即為有，有便是無，點到為止，無須深究，此畫妙不可言，切莫妄加評論，顯得無知無識，盡給理工丟臉。托老的這幾根線條，2015年11月在蘇富比拍出了七千萬美刀！也別羨慕嫉妒恨，這世界只能容納一個托姆布雷，想當(dāng)二托？畫幾根線試試。有人愿拔七美刀就謝天謝地了。此處聲明一下，因為不知如何引用藝術(shù)品，未敢把這幅四億多人民幣的名畫拷貝到這篇文章里來，有勞看官自己動手上網(wǎng)找找。

此時此刻，想起了北島那首只有一個字的詩，《生活》：網(wǎng)。沒讀懂？太無知！讀懂啦？真無知！

科學(xué)和藝術(shù)是相通的，但不是簡單的學(xué)幾門課就能通的，就訓(xùn)練而言，科學(xué)從復(fù)雜到簡單，藝術(shù)從簡單到復(fù)雜，是相反的，孩子究竟適合文科還是理科，父母是可以判斷的，實驗很簡單，找?guī)准軓?fù)雜的東西，讓孩子講講，如能三言兩語說得清清楚楚明明白白，絕對是理工的料，再找?guī)准唵蔚臇|西，如能繪聲繪色頭頭是道，應(yīng)該是文科的料，實驗要多做，因為有誤差 。文理相融，是人們的追求，不是低層次的一加一等于二，而是高層次一加一大于二的一種協(xié)同效應(yīng)。

反應(yīng)與分離是化工的兩大基石，各有三個相同的基本問題：多遠(yuǎn)？多快？怎么搞？反應(yīng)產(chǎn)物是個混合物，里面有產(chǎn)品、副產(chǎn)品和沒有轉(zhuǎn)化掉的原料，要分離，要提純。

混合物中的各組分容不容易分離也是熱力學(xué)決定的，有些組分不喜歡混在一起，很容易分離，如油和水，也有些組分特別喜歡混在一起，如酒精和水，熱力學(xué)決定了組分能分得多開。至于分得多快，就是傳遞過程了，傳質(zhì)、傳熱、流體力學(xué)，也就是令化工人十二分自豪的“三傳”。傳質(zhì)的快慢跟濃度梯度成正比，叫菲克定律，菲老1855年就提出來了。傳熱的快慢跟溫度梯度成正比，叫傅立葉定律，傅老提得更早，1822年。同一時期，納維爾和斯托克斯提出了一個流體力學(xué)方程，就叫納維爾-斯托克斯方程，是個非常牛的方程，飛機(jī)在天空中飛行、輪船在大海里航行，都得靠這方程，可這方程實在是太難解了，有不知天高地厚的數(shù)學(xué)發(fā)燒友不妨試試。

分離的最后一個問題也是“怎么搞”，需要單元操作，化工人的拿手好戲，最著名的單元操作要數(shù)蒸餾，利用各組分的揮發(fā)度不同，把輕組分汽化、分開、再冷凝，原油就是靠一次次蒸餾制成各種油類的，多次蒸餾也叫精餾，燒酒也靠蒸餾提高酒精度。除了蒸餾外，還有萃取、吸附、吸收、結(jié)晶、過濾、沉淀、膜分離等等單元操作，懂得單元操作的人，日常生活中可有不少樂趣，比如想把啤酒搞可口一點，就是件容易的事，把啤酒瓶塞進(jìn)冰柜，等有一半結(jié)冰后，取出來，把液體倒給自個喝，把冰化了給老爸，立馬贏得名副其實的坑爹美名。需要提一句的是，分離和混合基本原理是相同的，理論是共享的，只是方向相反而已。

以上這些內(nèi)容可以總結(jié)成“化工一頁紙”：

不得不承認(rèn)，這化工一頁紙是極其簡單粗暴的，專家一看都會暈過去，沒暈的，一定瘋狂拍磚，一問題一磚，磚磚精準(zhǔn)狠，比如：反應(yīng)器里的三傳，太重要啦，怎么沒關(guān)心呢？正是由于怕被拍磚，這些自娛自樂文字十幾年未敢成文示人。

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理工語言的確貧乏，難怪理工男成了不堪的貶義詞，為了化工，就豁出去了，來一瓶重口味的“朱氏醬油”：學(xué)術(shù)版《化工之歌》打油詩，看看合不合各位看官的口味？深知眾口難調(diào)，請多多包涵。

學(xué)術(shù)版

化工之歌

熵焓指明了方向

發(fā)展要平衡可持續(xù)，

活化能催化出速率

做事要張弛有度講究效益，

菲克、傅立葉定律

啟迪了品質(zhì)的飛躍

溫暖的傳遞

無邊無際，

納維爾-斯托克斯方程

表述了澎湃的心濤

燃燒的激情

奔騰不息，

反應(yīng)釜中知冷知熱

分離塔里經(jīng)風(fēng)歷雨。

賣萌版

化工之歌

人類面臨的難題

莫過于能源、資源、環(huán)境，

老百姓過日子憂心

最不堪食品安全、空氣、水，

“三傳一反”的智慧

單元操作的能力

排憂解難

化工是排頭兵，

挑戰(zhàn)即是機(jī)遇

發(fā)展才是硬道理

國泰民安

化工人的使命，

拒絕浮躁追求卓越

攜手共創(chuàng)化工世紀(jì)。

熵焓是熱力學(xué)的重要概念，熵就是任性、隨意、自由度，喝酒不開車，開車不喝酒已是常識，深入人心。其實每個人的酒量不一樣，能喝的人，一兩杯不礙事，國外警察路查是這樣的，警察：“有沒有喝酒？”司機(jī)：“有?！本欤骸跋聛碜咧本€。”如果司機(jī)能用模特兒的貓步走出一條直線，警察立馬說：“可以走了。”其實，警察就是在測司機(jī)的熵值，喝暈了，搖搖晃晃轉(zhuǎn)圈子，熵高了，罰款，吊銷駕照，進(jìn)局子。看官別誤解，駕車禁酒利國利民，是“普大喜奔”的英明政策，本人堅決擁護(hù)，也省下了不少酒錢。

活化能是動力學(xué)的一個重要概念，活化能的高低決定反應(yīng)快慢，就像爬山一樣，山高了，爬得慢，要加快的話，就得加熱加溫加能量，山兩邊的高低決定了化學(xué)反應(yīng)是吸熱還是放熱，這邊比那邊高，爬過去了，就放熱，反之這邊比那邊低，就吸熱。放熱吸熱是熱力學(xué)問題，活化能把動力學(xué)和熱力學(xué)扯在了一起。

菲克定律管傳質(zhì)，傅立葉定律管傳熱，所以啟迪了品質(zhì)的飛躍和溫暖的傳遞，兩個定律都是微分方程，給個邊界條件：無邊無際。納維爾-斯托克斯方程解釋氣體和液體的流動行為，用來表述澎湃的心濤和燃燒的激情正合適，給個起始條件：奔騰不息。

反應(yīng)釜中知冷知熱，分離塔里經(jīng)風(fēng)歷雨，化工為人類作出了偉大的貢獻(xiàn)。看官有所不知，化學(xué)工業(yè)占比中國GDP 20%以上，化學(xué)工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)，關(guān)系到國家富強(qiáng)和人民幸福，化工與日常生活息息相關(guān)，一睜一閉之間的梳洗打扮吃喝拉撒，哪樣離得開化工產(chǎn)品？沒有化工，這日子一天都過不下去。正是因為太實用，機(jī)會多多，過去三十年，什么掙錢最容易？化工！只要村頭有塊地，招商引資門檻低，搗鼓搗鼓出配方，管它專利不專利，管管道道鋪開來，壇壇罐罐湊個齊，取個名字要拗口，西當(dāng)中來中作西，三傳一反沒關(guān)系，安全生產(chǎn)誰在意，百噸千噸萬噸級，腰包才是硬道理。競爭越來越烈，規(guī)模越來越大，裝置越來越衰，直逼一個臨界點。出來混，遲早是要還的，結(jié)果就是幾十年后今天的另一方景象，爆炸聲聲刺耳，火光熊熊灼眼，形勢告急傷心，談化變色絕情，一聲令下：關(guān)，關(guān)，關(guān)！搞得化工人灰頭灰臉，念行業(yè)之悠悠，憂后不見來者，空前絕后。這，本來是可以避免的。是教訓(xùn)，也是新的開始。

人們常有誤解，以為化工就是化工廠，化工廠當(dāng)然是化工的，但化工絕不僅僅是化工廠，凡是涉及反應(yīng)與分離的，凡是用到三傳一反熱力學(xué)知識的，就是化工，比如能源，由于歷史原因，能源學(xué)科多半是從機(jī)械學(xué)科發(fā)展過來的，因為有了機(jī)械，需要驅(qū)動，需要驅(qū)動，就得有能源。能源種類繁多，目前主要能源還是煤炭、石油、天然氣、核燃料等，都涉及反應(yīng)與分離，都用到三傳一反熱力學(xué)，主要還是化工的東西。又如環(huán)境，雖然作為學(xué)科，有些從土木發(fā)展過來，但歸根結(jié)底還是反應(yīng)與分離，還是化工。再如材料，材料的生產(chǎn)與加工就是化工，材料作為一個學(xué)科研究材料結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，是從化工發(fā)展過來的。還有煮飯炒菜，其實也是個化工過程，有反應(yīng)、有分離，三傳、一反、熱力學(xué)，掌握火候，做到色香味俱佳。做不好一桌飯菜的人，搞不好化工，我算個例外。請記住，化工是工學(xué)四大祖宗學(xué)科之一，長者有長者的尊貴和風(fēng)范，長者有長者的智慧和力量，化工大牛常常自喻為老母雞，老當(dāng)益壯，勇于下蛋 。

有學(xué)生申研時，上網(wǎng)幾晝夜，查了化工學(xué)術(shù)界牛人張三李四王五，發(fā)現(xiàn)少有號稱“三傳一反”磚家的，也沒人做“化工一頁紙”里的科研。誤會誤會，牛人們學(xué)富五車、才高八斗，“化工一頁紙”里的那點兒基礎(chǔ)知識，早在牛人們血液里，水滿無聲。牛人們什么都敢做，什么都能做，什么材料、能源、環(huán)境、生物、納米、食品、藥物、安全，you name it，不在話下，只要涉及反應(yīng)與分離，只要用到三傳一反熱力學(xué)，舍化工其誰？再說象牙塔里也不都是不食人間煙火的圣人，圣人的一半是俗人，也得養(yǎng)家糊口，藝不壓身的教授們，響應(yīng)號召，開個公司，做個咨詢，情有可原。

化學(xué)工程是個系統(tǒng)工程，非常講究大視野、大格局，具有非凡的領(lǐng)導(dǎo)力和執(zhí)行力。人類面臨的挑戰(zhàn)有哪些？能源、資源、材料、環(huán)境、健康、食品、安全、反恐等等。挑戰(zhàn)即是機(jī)會！如能舉出一個學(xué)科跟所有這些挑戰(zhàn)都有關(guān)系，都能作出貢獻(xiàn)的，也只有化工，解決這些挑戰(zhàn)都涉及到反應(yīng)與分離，都得用上三傳一反熱力學(xué)。從這個意義上講，二十一世紀(jì)就是個化工世紀(jì)。緊接著學(xué)術(shù)版《化工之歌》，再編了個口味更重的賣萌版《化工之歌》，也曾試著寫過一首相應(yīng)的英文打油詩，實在是拿不出手，但有一句，千真萬確，化工人 deserve a cool career and a hot life。

大凡科普，多半是忽悠外行的，無非是想得到大眾對本學(xué)科本行業(yè)的認(rèn)可，后繼有人，可本文作者更希望同行能讀讀，有話想說，憋著難受，靠不靠譜，也就管不了了。這篇文章是根據(jù)講稿整理而成，得到了許多前輩和同仁的鼓勵與幫助，在此一并感謝。

謹(jǐn)以此文，獻(xiàn)給所有為化工事業(yè)忍辱負(fù)重、為民富國強(qiáng)默默奉獻(xiàn)的人們（本文刊于《化工學(xué)報》2019年9期）。

關(guān)于作者

朱世平先生是加拿大皇家科學(xué)院院士，加拿大工程院院士，麥克馬斯特“杰出大學(xué)教授”。1982年畢業(yè)于浙江大學(xué)化工系，1991年獲麥克馬斯特大學(xué)博士學(xué)位，1994年起任教該?；は岛筒牧舷?，2009至2014年任化工系主任，2017年入職香港中文大學(xué)（深圳），擔(dān)任副校長 。

朱世平教授從事高分子化工研究，專長聚合反應(yīng)工程，已發(fā)表論文360多篇，他引上萬，已培養(yǎng)高學(xué)位人才120多名。2011年獲加拿大化學(xué)聯(lián)合會“大分子科學(xué)與工程獎”，2016年獲加拿大化學(xué)工程學(xué)會最高獎R.S. Jane Memorial Award。

朱世平教授熱心教學(xué)與科普，最近兩年，走進(jìn)國內(nèi)一百多所高校和高中，講科學(xué)、學(xué)科、科研，講化學(xué)、化工、材料、高分子，鼓勵年輕人學(xué)好理工技，貨與百姓家，走實業(yè)報國之路。