一粒鹽掉進(jìn)水里會(huì)發(fā)生什么？
還是一名小學(xué)生的江穎，就好奇地想要知道，鹽為什么在水里消失不見了。上了初中他才明白，在水的作用下，鹽會(huì)溶解成一個(gè)個(gè)鹽離子，這些鹽離子又會(huì)跟水分子結(jié)合成為水合離子，但水合離子實(shí)在太小了，肉眼根本看不到。這是困擾全世界科學(xué)家上百年的難題。
可在20多年后，作為北京大學(xué)物理學(xué)院教授的江穎，不僅在世界上首次實(shí)現(xiàn)了水分子中氫原子的直接成像和定位，還成為了第一個(gè)“看見”水合離子微觀結(jié)構(gòu)的人。這一切，都是憑著他在高分辨掃描探針顯微術(shù)領(lǐng)域練就的一手“絕活”。
就在今年，江穎團(tuán)隊(duì)成功研制了qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡商業(yè)化樣機(jī)，不僅刷新了掃描探針顯微鏡空間分辨率和靈敏度的世界紀(jì)錄，也有望打破我國(guó)高端掃描探針顯微鏡多年來一直嚴(yán)重依賴進(jìn)口的局面。
江穎的課題組有個(gè)特別的風(fēng)格——研制獨(dú)特的儀器，看別人“看不到”的東西，做別人“做不到”的事。這也讓他在原子尺度上理解水、冰的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)方面做出了許多開創(chuàng)性工作。
水，至柔至順，但有關(guān)水的基礎(chǔ)科學(xué)問題卻很硬。這個(gè)長(zhǎng)相十分帥氣，自嘲反應(yīng)不夠快、性格又慢熱的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家告訴我們，不跟風(fēng)、不湊熱鬧，研發(fā)精密儀器來實(shí)現(xiàn)水世界的極限探測(cè)，這塊“硬骨頭”適合他。
工欲善其事 必先利其器
不久之前，中科院院士、南方科技大學(xué)校長(zhǎng)薛其坤在與部分“科學(xué)探索獎(jiǎng)”獲獎(jiǎng)人的一場(chǎng)閉門交流中談到，科學(xué)研究可以分為三個(gè)層次：儀器、材料、發(fā)現(xiàn)。之所以把“儀器”放在首位，因?yàn)?ldquo;這是我們科學(xué)研究的‘金剛鉆’，是做理論研究、實(shí)驗(yàn)或工程研究的利器”。
可就在十幾年前，剛步入凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)物理領(lǐng)域的江穎對(duì)此還沒有切身的體會(huì)。直到2008年，他來到美國(guó)科學(xué)院院士、美國(guó)加州大學(xué)歐文分校物理系教授Wilson Ho的課題組從事博士后研究，當(dāng)了近兩年的“技工”。
這位有趣的華裔科學(xué)家所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，是一個(gè)完全基于自主研發(fā)設(shè)備來開展獨(dú)特實(shí)驗(yàn)的小組，主攻尖端掃描隧道顯微鏡技術(shù)。掃描隧道顯微鏡正是原子尺度成像研究的一把科學(xué)利器。
江穎一進(jìn)組，就被“手工”狂熱愛好者Wilson Ho“扔”到了學(xué)校的一個(gè)車間里做起了零件。他每天起早先在電腦上設(shè)計(jì)三維圖，然后按照?qǐng)D紙用銑床、車床把零件加工出來，晚上回到實(shí)驗(yàn)室再把它們組裝起來試錯(cuò)。整整三個(gè)月，江穎才逐漸適應(yīng)了課題組高強(qiáng)度“勞動(dòng)”的風(fēng)格。
然而，跟隨Wilson Ho的兩年博后時(shí)光，讓江穎備受挫折。當(dāng)時(shí)，課題組集中火力想要做出一個(gè)全新的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)，用來探測(cè)一個(gè)很微弱的超快隧道電流信號(hào)。“我?guī)缀醢阉袝r(shí)間都撲在儀器的設(shè)計(jì)、加工、組裝、測(cè)試上，可到頭來它根本無法正常工作。”
江穎不甘心近兩年的努力付之東流，更讓他郁悶的是，復(fù)盤這項(xiàng)研究時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)儀器從原理層面就出現(xiàn)了問題。
“失敗是科研的常態(tài)，儀器研發(fā)真的是一件很艱難的事。”這也讓江穎更加堅(jiān)定了創(chuàng)新性的儀器是實(shí)驗(yàn)科學(xué)的根本，只有用獨(dú)特的儀器，才能看別人“看不到”的東西，做別人“做不到”的事。
這個(gè)信念，他執(zhí)守至今�，F(xiàn)在，江穎的實(shí)驗(yàn)室里也放著一臺(tái)車床和一臺(tái)銑床，每屆進(jìn)組的博士生都會(huì)用它們做出一些科研儀器的零件練手，這仿佛成了課題組某種儀式感的延續(xù)。
水世界里的“極限”挑戰(zhàn)
2010年回國(guó)加入北大不久，江穎參加了一場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，當(dāng)時(shí)一位來自英國(guó)的水科學(xué)領(lǐng)域資深教授的報(bào)告內(nèi)容，讓他印象深刻。
水有很多“反常”的性質(zhì)，比如水結(jié)冰之后體積反而會(huì)變大、熱水比冷水更容易結(jié)冰等等。很多我們?nèi)粘Ｉ钪兴究找姂T的水的物理現(xiàn)象背后，都無法給出確切的科學(xué)解釋。
會(huì)后交流時(shí)，江穎問他，為什么水的實(shí)驗(yàn)跟不上理論發(fā)展？英國(guó)教授回答說：“水結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究難度太大了。”
2005年，《科學(xué)》在創(chuàng)刊125周年之際公布了125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題，其中一個(gè)問題就是：水的結(jié)構(gòu)是什么？
水分子由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成，而問題就出在氫。江穎解釋說：“水分子與水分子之間由氫鍵鏈接，形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氫原子正是水分子之間‘牽手’的媒介，也是解析水結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。可是，排在元素周期表第一位的氫原子尺寸和質(zhì)量太小，氫原子核同時(shí)還具有很強(qiáng)的量子效應(yīng)。要想看到氫原子、追蹤它、對(duì)它進(jìn)行定位，非常困難。”
江穎的博士生導(dǎo)師王恩哥院士一直對(duì)水的理論研究情有獨(dú)鐘，也是江穎學(xué)術(shù)道路上的燈塔。正是在他的鼓勵(lì)下，江穎決定發(fā)展一種獨(dú)特的技術(shù)來捕捉水中的氫原子。
其實(shí)科學(xué)家很早就知道，要分辨原子和分子尺度的粒子，掃描探針顯微鏡是一個(gè)強(qiáng)大的工具。
江穎打了個(gè)比方，這種顯微鏡的原理就像盲人摸象，一般光學(xué)顯微鏡是用眼睛去看，而掃描探針顯微鏡是用“手”去摸。掃描探針顯微鏡利用一根原子級(jí)尖銳的探針在材料表面移動(dòng)，通過監(jiān)測(cè)探針與材料之間由于量子力學(xué)原理產(chǎn)生的電流、力等信號(hào)來“摸”出材料的表面形態(tài)。但由于氫的質(zhì)量和尺寸小到了極致，現(xiàn)有探針的傳感器靈敏度達(dá)不到要求。
“我們從國(guó)外進(jìn)口的商業(yè)化設(shè)備的精度是不夠的，必須要經(jīng)過自己對(duì)核心部件的重新改造或者替換，發(fā)展自己全新的技術(shù)，才有可能突破這個(gè)瓶頸。”
當(dāng)時(shí)，國(guó)際上有不下幾十個(gè)團(tuán)隊(duì)都在掃描探針顯微鏡領(lǐng)域摩拳擦掌，希望能抓到氫的蹤跡。江穎說，這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心是傳感器靈敏度的極限挑戰(zhàn)。
然而，當(dāng)一群人面對(duì)同一項(xiàng)技術(shù)久攻不下時(shí)，很可能意味著它需要一些全新的探測(cè)原理，而不僅僅是技術(shù)上的精進(jìn)。
音叉是物理學(xué)常用的實(shí)驗(yàn)器材，它的振動(dòng)頻率非常精準(zhǔn)。當(dāng)一個(gè)音叉受到了外力作用，它振動(dòng)的頻率就會(huì)發(fā)生變化，利用這種頻率變化可以對(duì)外界的力進(jìn)行探測(cè)。這個(gè)原理江穎非常熟悉，平時(shí)對(duì)音叉測(cè)力的應(yīng)用也有所關(guān)注。
“音叉對(duì)力的靈敏度是不是可以用來探測(cè)氫原子？”這個(gè)突然冒出的念頭，讓江穎既驚喜又忐忑，“我知道這種想法很跳躍，以前從來沒有人把這兩樣?xùn)|西聯(lián)系到一起。”
說干就干的江穎用了第一個(gè)6年，自制了qPlus型石英音叉力傳感器，通過優(yōu)化音叉的設(shè)計(jì)，大幅提升了品質(zhì)因子和靈敏度，探測(cè)到了針尖與水分子之間極其微弱的高階靜電力，在世界上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫原子的直接成像和定位，成為了“看見”原子極限的第一人，并進(jìn)一步揭示了氫核量子效應(yīng)對(duì)水的結(jié)構(gòu)和物性的決定性影響。
接著，他又用第二個(gè)6年一次次刷新了掃描探針顯微鏡靈敏度和分辨率的世界紀(jì)錄，使其達(dá)到2皮牛和20皮米的國(guó)際最好水平，在今年成功搭建了一臺(tái)qPlus型光耦合掃描探針顯微鏡商業(yè)化樣機(jī)，并完成了相關(guān)專利轉(zhuǎn)讓。其間，他還基于掃描探針顯微鏡發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可控制備單個(gè)離子水合物，揭示了單個(gè)水合鈉離子的微觀結(jié)構(gòu)和幻數(shù)效應(yīng)。
很多時(shí)候，物理世界的發(fā)現(xiàn)就是這么不講邏輯，而是像科學(xué)大師普朗克、愛因斯坦所推崇的那樣，靠的是直覺和聯(lián)想。
音叉的靈光一現(xiàn)，是江穎科研生涯里最浪漫的時(shí)刻之一。雖然他到現(xiàn)在也說不清直覺的閃光到底從何而來，但他一直認(rèn)為，一個(gè)科研人員的興趣、知識(shí)結(jié)構(gòu)越寬越好。
“多去接觸一些讓你不太舒適的領(lǐng)域，一時(shí)看不懂也沒關(guān)系，只要留下一些印象，久而久之就可能成為知識(shí)與知識(shí)之間連接的節(jié)點(diǎn)。”
直覺，往往能把科學(xué)家?guī)У揭粋�(gè)正確的方向，甚至是一條捷徑，至于能夠抵達(dá)怎樣的終點(diǎn)，卻不是它能決定的。
江穎對(duì)掃描探針顯微鏡技術(shù)的拓展和創(chuàng)新歷程，其實(shí)更像是一場(chǎng)殘酷的、不知終點(diǎn)的長(zhǎng)跑，考驗(yàn)的是他的耐力、毅力和信念感，他和團(tuán)隊(duì)成員日復(fù)一日、年復(fù)一年地在各個(gè)細(xì)節(jié)上不斷地?fù)�，精益求精�?/span>
極小尺度研究也能觀照現(xiàn)實(shí)
2019年，“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）拍到的人類歷史上第一張黑洞照片被公布于世。人們首次“看見”的那個(gè)黑洞，位于室女座一個(gè)巨橢圓星系M87中心，距離地球5500萬(wàn)光年，質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍。
當(dāng)時(shí)，江穎看著電腦上這張全人類共同的“仰望圖”出了神，一低頭卻發(fā)現(xiàn)，它竟和2018年團(tuán)隊(duì)首次拍到的水分子靜電力圖像格外相似。
一個(gè)是微觀世界的極限，一個(gè)接近宏觀世界的極限，它們的大小相差了20個(gè)數(shù)量級(jí)。“從原子尺度到宇宙，跨度太大了。雖然宏觀世界都是由微觀的物質(zhì)組成的，但它們之間并沒有必然聯(lián)系，甚至很多時(shí)候，微觀世界的運(yùn)行規(guī)律到了宏觀世界都是不成立的。”江穎感嘆說。
然而兩張圖的相似感又讓他陷入了某種沉思。“我們能不能找到微觀世界和宏觀世界之間的橋梁，找出它們之間究竟是如何過渡的，這是個(gè)很有難度的科學(xué)問題。”一直徜徉在微觀世界的江穎，對(duì)宏觀世界也有著自己的“野心”。
事實(shí)上，江穎在參加“科學(xué)探索獎(jiǎng)”答辯時(shí)也發(fā)現(xiàn)，評(píng)委們最好奇的，就是他這個(gè)從事極“小”尺度研究的科學(xué)家究竟能解決哪些“大”問題？
這和江穎的想法不謀而合。他從未把自己局限于一方小小的視界，而是遵循著科研就需要交叉和跨界，基礎(chǔ)研究也要能夠觀照現(xiàn)實(shí)。
這些年，江穎開始考慮如何將核量子效應(yīng)研究從水推廣到更為普遍的輕元素體系，通過人工調(diào)控核量子效應(yīng)，期望能改變凝聚態(tài)物質(zhì)的研究范式，尋找超越傳統(tǒng)理論框架的新奇宏觀物態(tài)。
此外，江穎也很關(guān)注海水淡化問題。海水淡化主要是將海水中的鹽離子去掉，變成淡水。由于知道了離子周圍的水分子是如何與其結(jié)合的，就可以想辦法讓它們快速分離，讓水留下來。為此，江穎正在研究各種親水和疏水表面上的離子水合和脫水過程，為高效分離水和鹽離子提供新的解決方案。
再比如，他也很看重利用水的微觀機(jī)制來破解水解制氫的難題。氫能源是公認(rèn)的清潔能源，發(fā)展氫能源將極大助力于我國(guó)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而依靠電解水反應(yīng)，是產(chǎn)生氫氣的一個(gè)重要途徑。
今年，江穎首次在實(shí)空間里觀測(cè)到了水合氫離子的微觀結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了核量子效應(yīng)對(duì)其穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用，這一發(fā)現(xiàn)可以為提升水解制氫效率帶來全新的思路。7月，這項(xiàng)成果發(fā)表在了《科學(xué)》上，在同行看來，江穎團(tuán)隊(duì)的這一實(shí)驗(yàn)工作堪稱真正的絕技。
2022年，江穎獲得了“科學(xué)探索獎(jiǎng)”。他說，“科學(xué)探索獎(jiǎng)”關(guān)心的是“未來”。突破水科學(xué)研究的原子尺度只是他的第一步，把水的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)研究成果帶到能源、生物、環(huán)境、材料等領(lǐng)域，解決那些與人類生存和發(fā)展休戚相關(guān)的實(shí)際問題，才是他更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。
幫每一個(gè)博士生練就一門“絕活”
時(shí)間退回到1999年夏天，四川幺兒江穎考入北京師范大學(xué)物理系，當(dāng)時(shí)他最向往的其實(shí)是當(dāng)一名酷酷的中學(xué)物理老師。
可事與愿違，本科期間江穎得分最高的專業(yè)課是自認(rèn)為怎么都學(xué)不懂的量子力學(xué)，成績(jī)接近滿分，而最低分居然是教學(xué)技能課。這一“打擊”，讓江穎暫時(shí)放下了教師這條路。
然而，在北大的12年，江穎隱藏的“教師夢(mèng)”逐漸復(fù)蘇。對(duì)他而言，成為學(xué)生們?cè)诳蒲刑剿髀飞系囊啡撕妥约喝グl(fā)現(xiàn)科學(xué)的未知，同樣重要。
就在江穎團(tuán)隊(duì)最新發(fā)表在《科學(xué)》上的這項(xiàng)工作中，先后有2015級(jí)、2016級(jí)以及2018級(jí)三屆博士生參與其中，這種代代延續(xù)、并肩奮斗的感覺讓他特別有成就感。
江穎很享受和學(xué)生們?cè)谝黄鸬臅r(shí)光。有時(shí)，他一個(gè)人在辦公室，常常覺得思路很難打開，一個(gè)問題很難想透。他會(huì)馬上“鉆到”實(shí)驗(yàn)室里，找不同的學(xué)生聊天，“聊著聊著就會(huì)覺得豁然開朗，就像夏天喝了一杯冰水般暢快”。
當(dāng)然，江穎也希望每一個(gè)來到課題組的學(xué)生都能不虛此行。在5年研究期間，他會(huì)盡力讓每一個(gè)博士生都能練就一門屬于自己的“絕活”。
這個(gè)“絕活”的范疇非常寬泛，可以是具體的實(shí)驗(yàn)技術(shù)、理論方法，或者是對(duì)科學(xué)問題的敏感度、科研的直覺、堅(jiān)韌的性格等等。
“在我的實(shí)驗(yàn)室，每個(gè)學(xué)生畢業(yè)前不一定要有好文章，但都需要掌握一門獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)技術(shù)或者形成自己的研究風(fēng)格，而不是簡(jiǎn)單延續(xù)前面師兄師姐的工作。”江穎相信，只有這些“絕活”才是陪伴學(xué)生們終身的，能成為他們行走天下的敲門磚和通行證。
但在指導(dǎo)博士生的過程中，并不是所有人都有能力達(dá)成這個(gè)艱巨的目標(biāo)。事實(shí)上，常常有人基礎(chǔ)知識(shí)薄弱、獨(dú)立性差。但只要江穎認(rèn)定這個(gè)學(xué)生愿意學(xué)、肯琢磨，就會(huì)把他們看成“潛力生”。
江穎會(huì)給這些學(xué)生量身定做一些能夠發(fā)揮他們特長(zhǎng)和優(yōu)勢(shì)的研究方向，鼓勵(lì)他們多出國(guó)學(xué)習(xí)，參加學(xué)術(shù)會(huì)議，在平時(shí)的研究中盡量包容他們的失誤，并給他們更多的鼓勵(lì)，讓他們按照自己的想法來開展實(shí)驗(yàn)。江穎相信天生我材必有用，只要努力幫助這些學(xué)生挖掘身上的閃光點(diǎn)，他們的能力很有可能會(huì)爆發(fā)出來。
對(duì)學(xué)生們而言，帥氣的江老師永遠(yuǎn)是那個(gè)不到最后一刻決不放棄學(xué)生的人，直到他們生長(zhǎng)出能在學(xué)術(shù)圈安身立命的本事。這股勁兒就和他死磕傳感器靈敏度時(shí)沒有什么不同�！�