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作者:胡珉琦 来源:中国科学报 发布时间:2022/11/17 10:10:30
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北大教授江颖:他靠这手“绝活”死磕世界难题!

 

一粒盐掉进水里,会发生什么?

还是一名小学生的江颖,就好奇地想要知道,盐为什么在水里消失不见了。上了初中他才明白,在水的作用下,盐会溶解成一个个盐离子,这些盐离子又会跟水分子结合成为水合离子,但水合离子实在太小了,肉眼根本看不到。这是困扰全世界科学家上百年的难题。

可在20多年后,作为北京大学物理学院教授的江颖,不仅在世界上首次实现了水分子中氢原子的直接成像和定位,还成为了第一个“看见”水合离子微观结构的人。这一切,都是凭着他在高分辨扫描探针显微术领域练就的一手“绝活”。

就在今年,江颖团队成功研制了qPlus型光耦合扫描探针显微镜商业化样机,不仅刷新了扫描探针显微镜空间分辨率和灵敏度的世界纪录,也有望打破我国高端扫描探针显微镜多年来一直严重依赖进口的局面。

江颖的课题组有个特别的风格——研制独特的仪器,看别人“看不到”的东西,做别人“做不到”的事。这也让他在原子尺度上理解水、冰的结构和动力学方面做出了许多开创性工作。

水,至柔至顺,但有关水的基础科学问题却很硬。这个长相十分帅气,自嘲反应不够快、性格又慢热的实验物理学家告诉《中国科学报》,不跟风,不凑热闹,研发精密仪器来实现水世界的极限探测,这块“硬骨头”适合他。

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江颖 受访者供图

工欲善其事,必先利其器

不久之前,中国科学院院士、南方科技大学校长薛其坤在与部分“科学探索奖”获奖人的一场闭门交流中谈到,科学研究可以分为三个层次:仪器、材料、发现。之所以把“仪器”放在首位,因为“这是我们科学研究的‘金刚钻’,是做理论研究、实验或工程研究的利器”。

可就在十几年前,刚步入凝聚态实验物理领域的江颖对此还没有切身的体会。直到2008年,他来到美国加州大学欧文分校物理系教授、美国科学院院士Wilson Ho的课题组从事博士后研究,当了近两年的“技工”。

这位有趣的华裔科学家所带领的团队,是一个完全基于自主研发设备来开展独特实验的小组,主攻尖端扫描隧道显微镜技术。扫描隧道显微镜正是原子尺度成像研究的一把科学利器。

江颖一进组,就被“手工”狂热爱好者Wilson Ho“扔”到了学校的一个车间里做起了零件。他每天起早先在电脑上设计三维图,然后按照图纸用铣床、车床把零件加工出来,晚上回到实验室再把它们组装起来试错。整整三个月,江颖才逐渐适应了课题组高强度“劳动”的风格。

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江颖在美国博后期间使用20世纪50年代的铣床加工零件 受访者供图

然而,跟随Wilson Ho的两年博后时光,让江颖备受挫折。当时,课题组集中火力想要做出一个全新的扫描探针显微镜系统,用来探测一个很微弱的超快隧道电流信号。“我几乎把所有时间都扑在仪器的设计、加工、组装、测试上,可到头来它根本无法正常工作。”

江颖不甘心,近两年的努力付之东流,更让他郁闷的是,复盘这项研究时,他发现这个仪器从原理层面就出现了问题。

“失败是科研的常态,仪器研发真的是一件很艰难的事。”这也让江颖更加坚定了,创新性的仪器是实验科学的根本,只有用独特的仪器,才能看别人“看不到”的东西,做别人“做不到”的事。

这个信念,他值守至今。现在,江颖的实验室里也放着一台车床和一台铣床,每届进组的博士生都会用它们做出一些科研仪器的零件练手,这仿佛成了课题组某种仪式感的延续。

水世界里的“极限”挑战

2010年回国加入北大不久,江颖参加了一场学术报告会,当时一位来自英国的水科学领域资深教授的报告内容,让他印象深刻。

水有很多“反常”的性质,比如水结冰之后体积反而会变大,热水比冷水更容易结冰等等。很多我们日常生活中司空见惯的水的物理现象背后,都无法给出确切的科学解释。

会后交流时,江颖问他,为什么水的实验跟不上理论发展?英国教授回答说:“水结构的实验研究难度太大了。”

2005年,《科学》在创刊125周年之际公布了125个最具挑战性的科学问题,其中一个问题就是:水的结构是什么?

水分子由一个氧原子和两个氢原子组成,而问题就出在氢。江颖解释说:“水分子与水分子之间由氢键链接,形成复杂的网络结构,氢原子正是水分子之间“牵手”的媒介,也是解析水结构的关键。可是,排在元素周期表第一位的氢原子尺寸和质量太小,氢原子核同时还具有很强的量子效应。要想看到氢原子,追踪它,对它进行定位,非常困难。”

江颖的博士导师王恩哥院士一直对水的理论研究情有独钟,也是江颖学术道路上的灯塔。正是在他的鼓励下,江颖决定,发展一种独特的技术来捕捉水中的氢原子。

其实科学家很早就知道,要分辨原子和分子尺度的粒子,扫描探针显微镜是一个强大的工具。

江颖打了个比方,这种显微镜的原理就像盲人摸象,一般光学显微镜是用眼睛去看,而扫描探针显微镜是用“手”去摸。扫描探针显微镜利用一根原子级尖锐的探针在材料表面移动,通过监测探针与材料之间由于量子力学原理产生的电流、力等信号来“摸”出材料的表面形态。但由于氢的质量和尺寸小到了极致,现有探针的传感器灵敏度达不到要求。

“我们从国外进口的商业化设备,它们的精度是不够的,你必须要经过自己对核心部件的重新改造,或者替换,发展自己全新的技术,才有可能突破这个瓶颈。”

当时,国际上有不下几十个团队,都在扫描探针显微镜领域摩拳擦掌,希望能抓到氢的踪迹。江颖说,这场竞争的核心是传感器灵敏度的极限挑战。

然而,当一群人面对同一项技术久攻不下时,很可能意味着它需要一些全新的探测原理,而不仅仅是技术上的精进。

音叉是物理学常用的实验器材,它的振动频率非常精准。当一个音叉受到了外力作用,它振动的频率就会发生变化,利用这种频率变化可以对外界的力进行探测。这个原理江颖非常熟悉,平时对音叉测力的应用也有所关注。

“音叉对力的灵敏度是不是可以用来探测氢原子?”这个突然冒出的念头,让江颖既惊喜又忐忑。“我知道这种想法很跳跃,以前从来没有人把这两样东西联系到一起。”

说干就干的江颖用了第一个6年,自制了qPlus型石英音叉力传感器,过优化音叉的设计,大幅提升了品质因子和灵敏度,探测到了针尖与水分子之间极其微弱的高阶静电力,真的在世界上首次实现了对氢原子的直接成像和定位,让他成为了“看见”原子极限的第一人,并进一步揭示了氢核量子效应对水的结构和物性的决定性影响。

接着,他又用了第二个6年,一次次刷新了扫描探针显微镜灵敏度和分辨率的世界纪录,使其达到2皮牛和20皮米的国际最好水平,而且在今年成功搭建了一台qPlus型光耦合扫描探针显微镜商业化样机,并完成了相关专利转让。

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江颖团队自行研制的qPlus型光耦合扫描探针显微镜国产化样机 受访者供图

期间,他还基于扫描探针显微镜发展了一套独特的离子操控技术,实现了可控制备单个离子水合物,揭示了单个水合钠离子的微观结构和幻数效应。

很多时候,物理世界的发现就是这么不讲逻辑,而是像科学大师普朗克、爱因斯坦所推崇的那样,靠的是直觉和联想。

音叉的灵光一现,是江颖科研生涯里最浪漫的时刻之一。虽然他到现在也说不清直觉的闪光到底从何而来,但他一直认为,一个科研人员的兴趣、知识结构越宽越好。

“多去接触一些让你不太舒适的领域,一时看不懂也没关系,只要留下一些印象,久而久之就可能成为知识与知识之间连接的节点。”

直觉,往往能把科学家带到一个正确的方向,甚至是一条捷径,至于能够抵达怎样的终点,却不是它能决定的。

江颖对扫描探针显微镜技术的拓展和创新历程,其实更像是一场残酷的、不知终点的长跑,考验的是他的耐力、毅力和信念感,他和团队成员们日复一日、年复一年地在各个细节上不断地抠,精益求精。

极小尺度研究也能关照现实

2019年,“事件视界望远镜”(EHT)拍到的人类历史上第一张黑洞照片被公布于世。人们首次“看见”的那个黑洞,位于室女座一个巨椭圆星系M87中心,距离地球5500万光年,质量是太阳的65亿倍。

当时,江颖看着电脑上这张全人类共同的“仰望图”出了神,一低头却发现,它竟和2018年团队首次拍到的水分子静电力图像格外相似。

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黑洞和水分子图像 受访者供图

一个是微观世界的极限,一个接近宏观世界的极限,它们的大小相差了20个数量级。“从原子尺度到宇宙,跨度太大了。虽然宏观世界都是由微观的物质组成的,但它们之间并没有必然联系,甚至很多时候,微观世界的运行规律到了宏观世界都是不成立的。”江颖感叹说。

然而两张图的相似感又让他陷入了某种沉思。“我们能不能找到微观世界和宏观世界之间的桥梁,找出它们之间究竟是如何过渡的,这是个很有难度的科学问题。”一直徜徉在微观世界的江颖,对宏观世界也有着自己的“野心”。

事实上,江颖在参加“科学探索奖”答辩时也发现,评委们最好奇的,就是他这个从事极“小”尺度研究的科学家究竟能解决哪些“大”问题?

这和江颖的想法不谋而合。他从未把自己局限于一方小小的视界,而是遵循着科研就需要交叉和跨界,基础研究也要能够关照现实。

这些年,江颖开始考虑如何将核量子效应研究从水推广到更为普遍的轻元素体系,通过人工调控核量子效应,期望能改变凝聚态物质的研究范式,寻找超越传统理论框架的新奇宏观物态。

此外,江颖很关注海水淡化问题。海水淡化主要是将海水中的盐离子去掉,变成淡水。由于知道了离子周围的水分子是如何与其结合的,就可以想办法让它们快速分离,让水留下来。为此,江颖正在研究各种亲水和疏水表面上的离子水合和脱水过程,为高效分离水和盐离子提供新的解决方案。

再比如,他也很看重利用水的微观机制来破解水解制氢的难题。氢能源是公认的清洁能源,发展氢能源将极大助力于我国碳中和目标的实现。而依靠电解水反应,是产生氢气的一个重要途径。

今年,江颖首次在实空间里观测到了水合氢离子的微观结构,并发现了核量子效应对其稳定性的关键作用,这一发现可以为提升水解制氢效率带来全新的思路。7月,这项成果发表在了《科学》上,在同行看来,江颖团队的这一实验工作堪称真正的绝技。

2022年,江颖获得了“科学探索奖”。他说,“科学探索奖”关心的是“未来”。突破水科学研究的原子尺度只是他的第一步,把水的微观结构和动力学研究成果带到能源、生物、环境、材料等领域。那些与人类生存和发展休戚相关的实际问题,才是他更为长远的目标。

帮每一个博士生练就一门“绝活”

时间退回到1999年的那个夏天,四川幺儿江颖考入北京师范大学物理系,当时他最向往的其实是当一名酷酷的中学物理老师。

可事与愿违,本科期间江颖得分最高的专业课是自认为怎么都学不懂的“量子力学”,成绩接近满分,而最低分居然是“教学技能课”。这一“打击”,只好让江颖暂时放下了教师这条路。

然而,在北大的12年,江颖隐藏的“教师梦”,逐渐复苏。对他而言,成为学生们在科研探索路上的引路人和自己去发现科学的未知,同样重要。

就在江颖团队最新发表在《科学》上的这项工作中,先后有 2015 级、2016 级以及 2018 级三届博士生参与其中,这种代代延续、并肩奋斗的感觉让他特别有成就感。

江颖很享受和学生们在一起的时光。有时,他一个人在办公室,常常觉得思路很难打开,一个问题很难想透。他会马上“钻到”实验室里,找不同的学生聊天,“聊着聊着就会觉得豁然开朗,就像夏天喝了一杯冰水般畅快”。

当然,江颖也希望,每一个来到课题组的学生都能不虚此行。在五年研究期间,他会尽力让每一个博士生都能练就一门属于自己的“绝活”。

这个“绝活”的范畴非常宽泛,可以是具体的实验技术、理论方法,或者是对科学问题的敏感度、科研的直觉、坚韧的性格等等。

“在我的实验室,每个学生毕业前不一定要有好文章,但都需要掌握一门独特的实验技术或者形成自己的研究风格,而不是简单延续前面师兄师姐的工作。”江颖相信,只有这些“绝活”才是陪伴学生们终身的,能成为他们行走天下的敲门砖和通行证。

但在指导博士生的过程中,并不是所有人都有能力达成这个艰巨的目标。事实上,常常有人基础知识薄弱、独立性差。但只要江颖认定这个学生愿意学,肯琢磨,就会把他们看成“潜力生”。

江颖会给这些学生量身定做一些能够发挥他们特长和优势的研究方向,鼓励他们多出国学习,参加学术会议,在平时的研究中尽量包容他们的失误,并给他们更多的鼓励,让他们按照自己的想法来开展实验。江颖相信天生我才必有用,只要努力帮助这些学生去挖掘身上的闪光点,他们的能力很有可能会爆发出来。

对学生们而言,帅气的江老师永远是那个不到最后一刻决不放弃学生的人,直到他们生长出能在学术圈安身立命的本事。这股劲儿就和他死磕传感器灵敏度时没有什么不同。

 
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