科学家 | 江颖 “看见”原子的极限

稿源:南方人物周刊 | 作者: 本刊记者 欧阳诗蕾 日期: 2018-08-15

他的工作“开创了原子尺度上核量子效应研究的先河,刷新了人们对水和其他轻元素材料体系的认知,并为量子物性的调控加入全新的自由度”

一滴水掉进一杯水,将发生什么?

从江河汇海、积雨成泉,到诗词中的“抽刀断水水更流”,水独特的物理性质在生活中极为常见。“液态水在室温下可以不断地变化、断键成键,从而形成各种动态的网络结构。”专注于凝聚态物理、物理化学领域研究的江颖表示,水算得上世界上最复杂的物质结构。

《科学》杂志创刊125周年的特刊中,将这个问题列入了125个最具挑战的科学难题——水的结构是什么?

“为什么水研究起来这么难?就是因为氢键相互作用。”在北京大学物理学院量子材料科学中心的办公室内,江颖在电子板画下水的分子式,一个氧原子和两个氢原子。“水的复杂在于氢原子的参与,水分子必须通过氢来参与到成键过程中,也即:氢键。”

早在19世纪末,科学家们就开始了对水的结构的研究。至今,谱学的研究方式占大多数,X射线衍射、光谱、中子散射、核磁共振……往往对应着宏观层面的探测。 江颖介绍:“谱学研究的是成千上万个水分子的共同信号,得到的是平均效应。如果水分子的局域环境有细微的差别和变化,最后效果可能就被平均掉了。”

“迄今为止,还没有任何非常直观的手段能够把水的内部结构看清。”江颖重点关注原子尺度上的物性,他认为看清氢原子对研究水的结构尤为重要。“我常说水科学就是氢科学,如果想搞懂水,必须要把氢原子搞清楚,我们要清楚氢原子在水的内部的自由度,它是怎么运动的,指向在哪里?氢键形成的方向不同,水分子最终形成的网络结构是完全不一样的。”

氢原子是世界上体积最小、质量最轻的原子,还具有很明显的核量子效应,观测难度极大。包含了两个氢原子与一个氧原子的单个水分子的直径,仅相当于一根头发丝的百万分之一。此前相当长的时间内,科学家们都在倒空间中表达水的结构。而水这个生活中极为常见的存在,从人们肉眼可见的实空间经过变换和假设到倒空间时,就已增添了很多不确定性。

 

随着2003年博士阶段启程,江颖开始研究扫描探针显微镜技术。21世纪初,扫描探针显微镜技术才开始运用到水的结构研究中。接下来,正如其他科学学科,技术革新推动着学科的进步。

2014年,国际范围内首次实现了水分子的亚分子级分辨成像——北京大学量子材料中心、量子物质科学协同创新中心江颖课题组与中科院院士、北京大学讲席教授王恩哥的课题组合作,利用扫描隧道显微镜拍摄到水分子的内部轨道结构。这意味着,在实验中直接解析水的氢键网络构型成为了可能。

接下来,江颖与团队将分辨率从水分子推向了氢原子。通过发展对于氢核敏感的超高分辨原子力显微术,探测到氢核产生的极其微弱的高阶静电力,实现了单个水分子内部自由度的成像和水的氢键网络构型的直接识别。这是人类第一次在实空间直接看到氢原子。

“可以说,我们看到了自然界的原子的极限。把水里面的氢原子看清楚,水的内部结构自由度知道了,那水分子到底怎么样通过氢键结合成网络结构,也就知道了。”江颖说。此外,他们的实验结果也首次在原子尺度揭示了氢原子核的量子效应,工作成果发表在《科学》。

紧接着,他将自主研发的原子力显微镜技术运用到了水合离子上。生活中盐的溶解、大气污染、生命体内的离子转移等现象,都与水合离子密切相关。江颖指出,水和离子的相互作用更复杂,因为其相互作用更弱。“水分子在离子周围可以有非常多的自由度来调整水的姿态,导致很多亚稳态,如果不用能够看到氢原子的技术去成像的话,你很难把它的结构搞清楚。以前是很难把它定下来的。”

一百多年前,就有科学家提出了水合离子的概念。但因为缺乏原子尺度的实验手段以及精准可靠的计算模拟方法,水合离子的微观结构和动力学一直是学术界争论的焦点。

今年5月,《自然》发表了江颖与王恩哥带领的课题组的实验结果,他们首次获得了单个的水合离子,随后通过高分辨扫描探针显微镜,得到了其原子级分辨图像。

这是人类历史上第一次在实空间直接“看到”了水合离子的原子级图像。

 

1999年从四川乐山到北京师范大学读书时,17岁的江颖抱着毕业回老家当高中物理老师的念头。这个念头在大三那年被一门叫作“教学技能课”的课程打破。

“七十几分吧,这是我所有专业课里考得最差的,学的时候也感觉当老师可能不是我的特长。”青少年时期,江颖眼里的物理老师是全世界最酷的人。高中时,江颖和学校的好哥们天天攒着物理题难对方,最后只有他被选去参加物理竞赛时,朋友还拧巴了好一阵子。

大三这年,毕业后准备做老师的学生都要去中学实习,这门课的成绩把江颖推向了考研之路。那一年,江颖考得最好的专业课叫“量子力学”。尽管当时的考试分数接近满分,但他还是觉得自己学不懂。“这门课对我冲击特别大,因为好多东西都很难想象,都是反自然的现象。学物理的都会告诉你,量子力学是最抽象的课。”

 

江颖在操作qPlus型扫描探针显微镜

 

当从网络上看到扫描隧道显微镜(STM)可以直观形式呈现量子力学的一些现象时,已经保研的江颖感到非常不可思议。“比如大家概念中像粒子一样一颗一颗的电子,因为电子具有波粒二象性,情况合适的话,在显微镜下可以看到电子形成的波,就像把石头扔到水里的波纹。居然能在实空间里看见它,我觉得可以在博士阶段接触一下这个设备。”

2003年,江颖进入中科院物理研究所攻读博士学位,开始从事STM的研究。正是在21世纪初,这一技术才开始运用到水的结构研究中。

刚读博士没多久,一天,博士导师对江颖说,“你打游戏很好啊。”江颖心一紧,这时他才知道,导师的儿子在电视上看到了他。本科毕业前夕,江颖和同学到现场观看电子竞技比赛,比赛间隙作为观众上去打了几盘,被主持人肯定了电竞水平。江颖从小喜欢打游戏,从小霸王到三国、街霸、拳皇的街机,一枚币都能通全关,后来,老板看到江颖来打游戏都不太高兴。

“导师一直拿着这个事儿和我开涮,其实我特别不好意思,心虚,因为我学术上没做出什么东西,但打游戏倒是很好的样子。”即便是现在回忆,江颖都不好意思得有些拘谨了。“在科学的道路上,王老师一直是我的灯塔。”

当时的博士生导师王恩哥,正是江颖日后进行水的结构研究的合作伙伴。2008年,江颖在王恩哥力荐下,去美国加州大学欧文分校Wilson Ho院士课题组从事博士后研究,学习世界顶级的STM技术。2010年回国后,江颖开始从事原子力显微镜(AFM)的研究。王恩哥找到江颖,讨论了好几次,问能不能将STM和AFM的技术运用到水的结构研究上去。接下来,王恩哥、江颖等的研究成果入选“2016年度中国科学十大进展”。研究的成果相继发表在《自然》、《科学》杂志上。

今年5月,江颖以《轻元素体系的全量子化效应研究和调控》项目获得了2018年度陈嘉庚青年科学奖——数理科学奖。这源于江颖的一系列成绩:首次获得水分子的亚分子级分辨成像并在实空间实现了对氢核的定位;直接观察到水团簇内氢核的协同量子隧穿;在国际上率先测定了氢键的量子成分,提出了“核量子涨落弱化弱氢键、强化强氢键”的普适物理图像。

颁奖词指出,这些工作开创了原子尺度上核量子效应研究的先河,刷新了人们对水和其他轻元素材料体系的认知,并为量子物性的调控加入全新的自由度。

 

超高分辨扫描探针显微镜实验室位于北大物理学院的地下一层,由于临近地铁4号线(直线距离150米),江颖有时也会觉得头疼。“会受到影响,因为我们观测对象极小、极弱,观测环境又是超高真空、极低温的极端条件,全是这些极端的东西,对于振动非常敏感。”

相比谱学对大气环境下液态水的研究,探针技术运用的环境和体系明显受限。实验发生在一个长约2米的真空、液氦环境的封闭腔体,观测标本是呈固态的水分子,而实际要观测的对象氢氧键,其长度小于10的负10次方米。

“这是我们无法想象的量级对吧?这么小的一个尺度,要把带正电的氢原子和带负电的氧原子分开。所以我们必须要用特殊信号,核心是高阶静电力。” 江颖及团队将STM和AFM集成在一个显微镜,通过调控针尖的电荷分布,将探针改装成电四极矩针尖来成像。

由于对力和电流的精度、分辨率、灵敏度的特殊需求,江颖和团队摸索了两三年,最终研制出了实验所需的特殊qPlus探头,约20微米的针尖上,通过的电流是100飞安,飞安即10的负15次方安培,感知的力则为10的负12次方牛顿。

“现在我们传感器的灵敏度应该比商业化的仪器都要好。”江颖表示,传感器是耗材,有时一天就要用一个,国家长期在进口,一个约两千多欧元。科研同行常说这是卡脖子技术。“国外老说缺货,也不想卖给你。我们通过特殊手段把这个传感器做到极致,自己做就是一千块钱的成本费。”

自发研制设备的意识是博士后阶段养成的。在美国博士后阶段的前三个月,江颖都在车间做零件,先设计三维图,再在学校提供的学生专用车间制作出来。“为什么我们要关注设备的研发和研制?首先肯定会节约开支。”江颖指出了更重要的一点,“因为用别人的商业化设备,我们做不出独特的东西来。”

2015年10月23日,江颖第一次通过实验看到了水分子中氢原子的位置。为了向记者清晰展示期间的情绪变化,他画了个横轴为时间、纵轴为喜悦度的坐标轴,喜悦在初次观测之时飙升至顶峰后呈断崖式下跌。“根本不敢相信,就觉得是不是人为的假象。”接着是漫长的验证,直到标记到2018年结果发表在《自然》时,曲线上升到了顶点,“喜悦不断上升,渐趋饱和。”他声音也愉悦了起来。

“有时想想也觉得微妙,我们测极小的距离,极小的电流,极小的力,极小的信号,总是十的负多少次方。一说时间,我们的实验时间维度通常都跨得很长,都是十的多少次方秒。通过这么长的时间的尺度,去看一个这么小的维度,还是一个很有意思的东西。”

物理学有许多宏观的物理概念,但江颖还是对微观的事物感兴趣。“因为微观的我们平时也看不见嘛,看见了微观就好像上帝一样。学生物的人经常说好像在做上帝的事情,他们看到的还是细胞和生物大分子,实际上我们看到的比他们还要小,我们看到的应该是到极限了,就是氢原子核了,我猜造物者应该是从原子核开始做的。”

这周末,江颖的博士后导师Wilson Ho将来到北京,这让36岁的他想到“一些比较大的问题,”“我们这一辈科研工作者到底能够为科学做出什么样的贡献,在科学史上,自己能留下怎样的一笔?”

“我有时候也觉得焦虑。都说人有科研的黄金期,其实我觉得更重要的是整个科学的大潮,尤其我们这种偏重实验技术的科研工作者。”他说。在江颖的实验中发挥了重要作用的扫描探针显微镜技术是在上世纪80年代出现的,本世纪初才运用到水的结构的研究之中。

2018年度陈嘉庚青年科学奖的颁奖词中,特意指出江颖在技术上的突破。江颖与合作者成功研发了一套同时对电子量子态和原子核量子态敏感的新型扫描探针显微术,突破了传统技术只局限于探测电子量子态的瓶颈。

“我还是期待着,说不定我们这个年代会有新的技术蹦出来,又把研究往前面推进一大步。波浪到来之前,你必须已经准备好了。”在江颖看来,一切只是开始,“但我特别希望自己能做一些新的设备、新的仪器,来创造出波浪,而不只是跟随它。”

 

江颖

1982年7月出生于四川乐山。北京大学物理学院量子材料科学中心教授,国家杰出青年科学基金获得者。2018年获陈嘉庚青年科学奖数理科学奖。

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南方人物周刊 2021 第30期 总第688期
出版时间:2021年10月04日
 
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