江穎“看見(jiàn)”原子的極限

歐陽(yáng)詩(shī)蕾

一

一滴水掉進(jìn)一杯水，將發(fā)生什么？

從江河匯海、積雨成泉，到詩(shī)詞中的“抽刀斷水水更流”，水獨(dú)特的物理性質(zhì)在生活中極為常見(jiàn)?！耙簯B(tài)水在室溫下可以不斷地變化、斷鍵成鍵，從而形成各種動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?！睂Ｗ⒂谀蹜B(tài)物理、物理化學(xué)領(lǐng)域研究的江穎表示，水算得上世界上最復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

《科學(xué)》雜志創(chuàng)刊125周年的特刊中，將這個(gè)問(wèn)題列入了125個(gè)最具挑戰(zhàn)的科學(xué)難題——水的結(jié)構(gòu)是什么？

“為什么水研究起來(lái)這么難？就是因?yàn)闅滏I相互作用。”在北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的辦公室內(nèi)，江穎在電子板畫(huà)下水的分子式，一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子。“水的復(fù)雜在于氫原子的參與，水分子必須通過(guò)氫來(lái)參與到成鍵過(guò)程中，也即：氫鍵。”

早在19世紀(jì)末，科學(xué)家們就開(kāi)始了對(duì)水的結(jié)構(gòu)的研究。至今，譜學(xué)的研究方式占大多數(shù)，X射線衍射、光譜、中子散射、核磁共振……往往對(duì)應(yīng)著宏觀層面的探測(cè)。江穎介紹：“譜學(xué)研究的是成千上萬(wàn)個(gè)水分子的共同信號(hào)，得到的是平均效應(yīng)。如果水分子的局域環(huán)境有細(xì)微的差別和變化，最后效果可能就被平均掉了?！?/p>

“迄今為止，還沒(méi)有任何非常直觀的手段能夠把水的內(nèi)部結(jié)構(gòu)看清。”江穎重點(diǎn)關(guān)注原子尺度上的物性，他認(rèn)為看清氫原子對(duì)研究水的結(jié)構(gòu)尤為重要?！拔页Ｕf(shuō)水科學(xué)就是氫科學(xué)，如果想搞懂水，必須要把氫原子搞清楚，我們要清楚氫原子在水的內(nèi)部的自由度，它是怎么運(yùn)動(dòng)的，指向在哪里？氫鍵形成的方向不同，水分子最終形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是完全不一樣的?！?p>

江穎在北京大學(xué)超高分辨掃描探針顯微鏡實(shí)驗(yàn)室

氫原子是世界上體積最小、質(zhì)量最輕的原子，還具有很明顯的核量子效應(yīng)，觀測(cè)難度極大。包含了兩個(gè)氫原子與一個(gè)氧原子的單個(gè)水分子的直徑，僅相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的百萬(wàn)分之一。此前相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，科學(xué)家們都在倒空間中表達(dá)水的結(jié)構(gòu)。而水這個(gè)生活中極為常見(jiàn)的存在，從人們?nèi)庋劭梢?jiàn)的實(shí)空間經(jīng)過(guò)變換和假設(shè)到倒空間時(shí)，就已增添了很多不確定性。

二

隨著2003年博士階段啟程，江穎開(kāi)始研究掃描探針顯微鏡技術(shù)。21世紀(jì)初，掃描探針顯微鏡技術(shù)才開(kāi)始運(yùn)用到水的結(jié)構(gòu)研究中。接下來(lái)，正如其他科學(xué)學(xué)科，技術(shù)革新推動(dòng)著學(xué)科的進(jìn)步。

2014年，國(guó)際范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了水分子的亞分子級(jí)分辨成像——北京大學(xué)量子材料中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心江穎課題組與中科院院士、北京大學(xué)講席教授王恩哥的課題組合作，利用掃描隧道顯微鏡拍攝到水分子的內(nèi)部軌道結(jié)構(gòu)。這意味著，在實(shí)驗(yàn)中直接解析水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型成為了可能。

接下來(lái)，江穎與團(tuán)隊(duì)將分辨率從水分子推向了氫原子。通過(guò)發(fā)展對(duì)于氫核敏感的超高分辨原子力顯微術(shù)，探測(cè)到氫核產(chǎn)生的極其微弱的高階靜電力，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)水分子內(nèi)部自由度的成像和水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型的直接識(shí)別。這是人類第一次在實(shí)空間直接看到氫原子。

“可以說(shuō)，我們看到了自然界的原子的極限。把水里面的氫原子看清楚，水的內(nèi)部結(jié)構(gòu)自由度知道了，那水分子到底怎么樣通過(guò)氫鍵結(jié)合成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也就知道了。”江穎說(shuō)。此外，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也首次在原子尺度揭示了氫原子核的量子效應(yīng)，工作成果發(fā)表在《科學(xué)》。

緊接著，他將自主研發(fā)的原子力顯微鏡技術(shù)運(yùn)用到了水合離子上。生活中鹽的溶解、大氣污染、生命體內(nèi)的離子轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象，都與水合離子密切相關(guān)。江穎指出，水和離子的相互作用更復(fù)雜，因?yàn)槠湎嗷プ饔酶酢！八肿釉陔x子周圍可以有非常多的自由度來(lái)調(diào)整水的姿態(tài)，導(dǎo)致很多亞穩(wěn)態(tài)，如果不用能夠看到氫原子的技術(shù)去成像的話，你很難把它的結(jié)構(gòu)搞清楚。以前是很難把它定下來(lái)的?！?/p>

一百多年前，就有科學(xué)家提出了水合離子的概念。但因?yàn)槿狈υ映叨鹊膶?shí)驗(yàn)手段以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法，水合離子的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)一直是學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

今年5月，《自然》發(fā)表了江穎與王恩哥帶領(lǐng)的課題組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們首次獲得了單個(gè)的水合離子，隨后通過(guò)高分辨掃描探針顯微鏡，得到了其原子級(jí)分辨圖像。

這是人類歷史上第一次在實(shí)空間直接“看到”了水合離子的原子級(jí)圖像。

三

1999年從四川樂(lè)山到北京師范大學(xué)讀書(shū)時(shí)，17歲的江穎抱著畢業(yè)回老家當(dāng)高中物理老師的念頭。這個(gè)念頭在大三那年被一門叫作“教學(xué)技能課”的課程打破。

“七十幾分吧，這是我所有專業(yè)課里考得最差的，學(xué)的時(shí)候也感覺(jué)當(dāng)老師可能不是我的特長(zhǎng)?！鼻嗌倌陼r(shí)期，江穎眼里的物理老師是全世界最酷的人。高中時(shí)，江穎和學(xué)校的好哥們天天攢著物理題難對(duì)方，最后只有他被選去參加物理競(jìng)賽時(shí)，朋友還擰巴了好一陣子。

江穎在操作qPlus型掃描探針顯微鏡

大三這年，畢業(yè)后準(zhǔn)備做老師的學(xué)生都要去中學(xué)實(shí)習(xí)，這門課的成績(jī)把江穎推向了考研之路。那一年，江穎考得最好的專業(yè)課叫“量子力學(xué)”。盡管當(dāng)時(shí)的考試分?jǐn)?shù)接近滿分，但他還是覺(jué)得自己學(xué)不懂?！斑@門課對(duì)我沖擊特別大，因?yàn)楹枚鄸|西都很難想象，都是反自然的現(xiàn)象。學(xué)物理的都會(huì)告訴你，量子力學(xué)是最抽象的課。”

當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)上看到掃描隧道顯微鏡（STM）可以直觀形式呈現(xiàn)量子力學(xué)的一些現(xiàn)象時(shí)。已經(jīng)保研的江穎感到非常不可思議?！氨热绱蠹腋拍钪邢窳Ｗ右粯右活w一顆的電子，因?yàn)殡娮泳哂胁６笮裕闆r合適的話，在顯微鏡下可以看到電子形成的波，就像把石頭扔到水里的波紋。居然能在實(shí)空間里看見(jiàn)它，我覺(jué)得可以在博士階段接觸一下這個(gè)設(shè)備?！?/p>

2003年，江穎進(jìn)入中科院物理研究所攻讀博士學(xué)位，開(kāi)始從事STM的研究。正是在21世紀(jì)初，這一技術(shù)才開(kāi)始運(yùn)用到水的結(jié)構(gòu)研究中。

剛讀博士沒(méi)多久，一天，博士導(dǎo)師對(duì)江穎說(shuō)，“你打游戲很好啊?！苯f心一緊，這時(shí)他才知道，導(dǎo)師的兒子在電視上看到了他。本科畢業(yè)前夕，江穎和同學(xué)到現(xiàn)場(chǎng)觀看電子競(jìng)技比賽，比賽間隙作為觀眾上去打了幾盤(pán)，被主持人肯定了電競(jìng)水平。江穎從小喜歡打游戲，從小霸王到三國(guó)、街霸、拳皇的街機(jī)，一枚幣都能通全關(guān)，后來(lái)，老板看到江穎來(lái)打游戲都不太高興。

“導(dǎo)師一直拿著這個(gè)事兒和我開(kāi)涮，其實(shí)我特別不好意思，心虛，因?yàn)槲覍W(xué)術(shù)上沒(méi)做出什么東西，但打游戲倒是很好的樣子?！奔幢闶乾F(xiàn)存回憶，江穎都不好意思得有些拘謹(jǐn)了。“在科學(xué)的道路上，王老師一直是我的燈塔?！?/p>

當(dāng)時(shí)的博士生導(dǎo)師王恩哥，正是江穎日后進(jìn)行水的結(jié)構(gòu)研究的合作伙伴。2008年，江穎在王恩哥力薦下，去美國(guó)加州大學(xué)歐文分校Wilson Ho院士課題組從事博士后研究，學(xué)習(xí)世界頂級(jí)的STM技術(shù)。2010年同國(guó)后，江穎開(kāi)始從事原子力顯微鏡（AFM）的研究。王恩哥找到江穎，討論了好幾次，問(wèn)能不能將STM和AFM的技術(shù)運(yùn)用到水的結(jié)構(gòu)研究上去。接下來(lái)，王恩哥、江穎等的研究成果入選“2016年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展”。研究的成果相繼發(fā)表在《自然》、《科學(xué)》雜志上。

今年5月，江穎以《輕元素體系的全量子化效應(yīng)研究和調(diào)控》項(xiàng)目獲得了2018年度陳嘉庚青年科學(xué)獎(jiǎng)——數(shù)理科學(xué)獎(jiǎng)。這源于江穎的一系列成績(jī)：首次獲得水分子的亞分子級(jí)分辨成像并在實(shí)空間實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫核的定位;直接觀察到水團(tuán)簇內(nèi)氫核的協(xié)同量子隧穿;在國(guó)際上率先測(cè)定了氫鍵的量子成分，提出了“核量子漲落弱化弱氫鍵、強(qiáng)化強(qiáng)氫鍵”的普適物理圖像。

頒獎(jiǎng)詞指出，這些工作開(kāi)創(chuàng)了原子尺度上核量子效應(yīng)研究的先河，刷新了人們對(duì)水和其他輕元素材料體系的認(rèn)知，并為量子物性的調(diào)控加入全新的自由度。

四

超高分辨掃描探針顯微鏡實(shí)驗(yàn)室位于北大物理學(xué)院的地下一層。由于臨近地鐵4號(hào)線（直線距離150米），江穎有時(shí)也會(huì)覺(jué)得頭疼?！皶?huì)受到影響，岡為我們觀測(cè)對(duì)象極小、極弱，觀測(cè)環(huán)境又是超高真空、極低溫的極端條件，全是這些極端的東西，對(duì)于振動(dòng)非常敏感?！?/p>

相比譜學(xué)對(duì)大氣環(huán)境下液態(tài)水的研究，探針技術(shù)運(yùn)用的環(huán)境和體系明顯受限。實(shí)驗(yàn)發(fā)生在一個(gè)長(zhǎng)約2米的真空、液氦環(huán)境的封閉腔體，觀測(cè)標(biāo)本是呈固態(tài)的水分子，而實(shí)際要觀測(cè)的對(duì)象氫氧鍵，其長(zhǎng)度小于10的負(fù)10次方米。

“這是我們無(wú)法想象的量級(jí)對(duì)hE？這么小的一個(gè)尺度，要把帶正電的氫原子和帶負(fù)電的氧原子分開(kāi)。所以我們必須要用特殊信號(hào)，核心是高階靜電力。”江穎及團(tuán)隊(duì)將STM和AFM集成在一個(gè)顯微鏡，通過(guò)調(diào)控針尖的電荷分布，將探針改裝成電四極矩針尖來(lái)成像。

由于對(duì)力和電流的精度、分辨率、靈敏度的特殊需求，江穎和團(tuán)隊(duì)摸索了兩三年，最終研制出了實(shí)驗(yàn)所需的特殊qPlus探頭，約20微米的針尖上，通過(guò)的電流是100飛安，飛安即10的負(fù)15次方安培，感知的力則為10的負(fù)12次方牛頓。

“現(xiàn)在我們傳感器的靈敏度應(yīng)該比商業(yè)化的儀器都要好?！苯f表示，傳感器是耗材，有時(shí)一天就要用一個(gè)，國(guó)家長(zhǎng)期在進(jìn)口，一個(gè)約兩千多歐元。科研同行常說(shuō)這是卡脖子技術(shù)。“國(guó)外老說(shuō)缺貨，也不想賣給你。我們通過(guò)特殊手段把這個(gè)傳感器做到極致，自己做就是一千塊錢的成本費(fèi)?！?/p>

自發(fā)研制設(shè)備的意識(shí)是博士后階段養(yǎng)成的。在美國(guó)博士后階段的前三個(gè)月，江穎都在車間做零件，先設(shè)計(jì)三維圖，再在學(xué)校提供的學(xué)生專用車間制作出來(lái)?！盀槭裁次覀円P(guān)注設(shè)備的研發(fā)和研制？首先肯定會(huì)節(jié)約開(kāi)支?！蓖》f指出了更重要的一點(diǎn)，“因?yàn)橛脛e人的商業(yè)化設(shè)備，我們做不出獨(dú)特的東西來(lái)?！?/p>

2015年10月23日，江穎第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)看到了水分子中氫原子的位置。為了向記者清晰展示期間的情緒變化，他畫(huà)了個(gè)橫軸為時(shí)間、縱軸為喜悅度的坐標(biāo)軸，喜悅在初次觀測(cè)之時(shí)飆升至頂峰后呈斷崖式下跌?！案静桓蚁嘈牛陀X(jué)得是不是人為的假象?！苯又锹L(zhǎng)的驗(yàn)證，直到標(biāo)記到2018年結(jié)果發(fā)表在《自然》時(shí)，曲線上升到了頂點(diǎn)，“喜悅不斷上升，漸趨飽和?！彼曇粢灿鋹偭似饋?lái)。

“有時(shí)想想也覺(jué)得微妙，我們測(cè)極小的距離，極小的電流，極小的力，極小的信號(hào)，總是十的負(fù)多少次方。一說(shuō)時(shí)間，我們的實(shí)驗(yàn)時(shí)間維度通常都跨得很長(zhǎng)，都是十的多少次方秒。通過(guò)這么長(zhǎng)的時(shí)間的尺度，去看一個(gè)這么小的維度，還是一個(gè)很有意思的東西?！?/p>

物理學(xué)有許多宏觀的物理概念，但江穎還是對(duì)微觀的事物感興趣。“因?yàn)槲⒂^的我們平時(shí)也看不見(jiàn)嘛，看見(jiàn)了微觀就好像上帝一樣。學(xué)生物的人經(jīng)常說(shuō)好像在做上帝的事情。他們看到的還是細(xì)胞和生物火分子，實(shí)際上我們看到的比他們還要小，我們看到的應(yīng)該是到極限了，就是氫原子核了，我猜造物者應(yīng)該是從原子核開(kāi)始做的?！?/p>

這周末，江穎的博士后導(dǎo)師Wilson Ho將來(lái)到北京，這讓36歲的他想到“一些比較大的問(wèn)題，”“我們這一輩科研工作者到底能夠?yàn)榭茖W(xué)做出什么樣的貢獻(xiàn)，在科學(xué)史上，自己能留下怎樣的一筆？”

“我有時(shí)候也覺(jué)得焦慮。都說(shuō)人有科研的黃金期，其實(shí)我覺(jué)得更重要的是整個(gè)科學(xué)的大潮，尤其我們這種偏重實(shí)驗(yàn)技術(shù)的科研工作者。”他說(shuō)。在江穎的實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用的掃描探針顯微鏡技術(shù)是存上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的，本世紀(jì)初才運(yùn)用到水的結(jié)構(gòu)的研究之中。

2018年度陳嘉庚青年科學(xué)獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)詞中，特意指出江穎在技術(shù)上的突破。江穎與合作者成功研發(fā)了一套同時(shí)對(duì)電子量子態(tài)和原子核量子態(tài)敏感的新型掃描探針顯微術(shù)，突破了傳統(tǒng)技術(shù)只局限于探測(cè)電子量子態(tài)的瓶頸。

“我還是期待著，說(shuō)不定我們這個(gè)年代會(huì)有新的技術(shù)蹦出來(lái)，又把研究往前面推進(jìn)一大步。波浪到來(lái)之前。你必須已經(jīng)準(zhǔn)備好了?！痹诮f看來(lái)，一切只是開(kāi)始，“但我特別希望自己能做一些新的設(shè)備、新的儀器，來(lái)創(chuàng)造出波浪，而不只是跟隨它?！?/p>