一
一滴水掉進一杯水，將發(fā)生什么？
從江河匯海、積雨成泉，到詩詞中的“抽刀斷水水更流”，水獨特的物理性質(zhì)在生活中極為常見。“液態(tài)水在室溫下可以不斷地變化、斷鍵成鍵，從而形成各種動態(tài)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。”專注于凝聚態(tài)物理、物理化學領(lǐng)域研究的江穎表示，水算得上世界上最復雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
《科學》雜志創(chuàng)刊125周年的特刊中，將這個問題列入了125個最具挑戰(zhàn)的科學難題——水的結(jié)構(gòu)是什么？
“為什么水研究起來這么難？就是因為氫鍵相互作用。”在北京大學物理學院量子材料科學中心的辦公室內(nèi)，江穎在電子板畫下水的分子式，一個氧原子和兩個氫原子。“水的復雜在于氫原子的參與，水分子必須通過氫來參與到成鍵過程中，也即：氫鍵。”
早在19世紀末，科學家們就開始了對水的結(jié)構(gòu)的研究。至今，譜學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……往往對應著宏觀層面的探測。 江穎介紹：“譜學研究的是成千上萬個水分子的共同信號，得到的是平均效應。如果水分子的局域環(huán)境有細微的差別和變化，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。”江穎重點關(guān)注原子尺度上的物性，他認為看清氫原子對研究水的結(jié)構(gòu)尤為重要。“我常說水科學就是氫科學，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，它是怎么運動的，指向在哪里？氫鍵形成的方向不同，水分子最終形成的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是完全不一樣的?！?/p>
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，觀測難度極大。包含了兩個氫原子與一個氧原子的單個水分子的直徑，僅相當于一根頭發(fā)絲的百萬分之一。此前相當長的時間內(nèi)，科學家們都在倒空間中表達水的結(jié)構(gòu)。而水這個生活中極為常見的存在，從人們?nèi)庋劭梢姷膶嵖臻g經(jīng)過變換和假設到倒空間時，就已增添了很多不確定性。
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二
隨著2003年博士階段啟程，江穎開始研究掃描探針顯微鏡技術(shù)。21世紀初，掃描探針顯微鏡技術(shù)才開始運用到水的結(jié)構(gòu)研究中。接下來，正如其他科學學科，技術(shù)革新推動著學科的進步。
2014年，國際范圍內(nèi)首次實現(xiàn)了水分子的亞分子級分辨成像——北京大學量子材料中心、量子物質(zhì)科學協(xié)同創(chuàng)新中心江穎課題組與中科院院士、北京大學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，在實驗中直接解析水的氫鍵網(wǎng)絡構(gòu)型成為了可能。
接下來，江穎與團隊將分辨率從水分子推向了氫原子。通過發(fā)展對于氫核敏感的超高分辨原子力顯微術(shù)，探測到氫核產(chǎn)生的極其微弱的高階靜電力，實現(xiàn)了單個水分子內(nèi)部自由度的成像和水的氫鍵網(wǎng)絡構(gòu)型的直接識別。這是人類第一次在實空間直接看到氫原子。
“可以說，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氫鍵結(jié)合成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，也就知道了。”江穎說。此外，他們的實驗結(jié)果也首次在原子尺度揭示了氫原子核的量子效應，工作成果發(fā)表在《科學》。
緊接著，他將自主研發(fā)的原子力顯微鏡技術(shù)運用到了水合離子上。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雜，因為其相互作用更弱?！八肿釉陔x子周圍可以有非常多的自由度來調(diào)整水的姿態(tài)，導致很多亞穩(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的?！?/p>
一百多年前，就有科學家提出了水合離子的概念。但因為缺乏原子尺度的實驗手段以及精準可靠的計算模擬方法，水合離子的微觀結(jié)構(gòu)和動力學一直是學術(shù)界爭論的焦點。
今年5月，《自然》發(fā)表了江穎與王恩哥帶領(lǐng)的課題組的實驗結(jié)果，他們首次獲得了單個的水合離子，隨后通過高分辨掃描探針顯微鏡，得到了其原子級分辨圖像。
這是人類歷史上第一次在實空間直接“看到”了水合離子的原子級圖像。
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三
1999年從四川樂山到北京師范大學讀書時，17歲的江穎抱著畢業(yè)回老家當高中物理老師的念頭。這個念頭在大三那年被一門叫作“教學技能課”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，學的時候也感覺當老師可能不是我的特長。”青少年時期，江穎眼里的物理老師是全世界最酷的人。高中時，江穎和學校的好哥們天天攢著物理題難對方，最后只有他被選去參加物理競賽時，朋友還擰巴了好一陣子。
大三這年，畢業(yè)后準備做老師的學生都要去中學實習，這門課的成績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”。盡管當時的考試分數(shù)接近滿分，但他還是覺得自己學不懂?！斑@門課對我沖擊特別大，因為好多東西都很難想象，都是反自然的現(xiàn)象。學物理的都會告訴你，量子力學是最抽象的課?！?/p>
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江穎在操作qPlus型掃描探針顯微鏡
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當從網(wǎng)絡上看到掃描隧道顯微鏡（STM）可以直觀形式呈現(xiàn)量子力學的一些現(xiàn)象時，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，因為電子具有波粒二象性，情況合適的話，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。居然能在實空間里看見它，我覺得可以在博士階段接觸一下這個設備?！?/p>
2003年，江穎進入中科院物理研究所攻讀博士學位，開始從事STM的研究。正是在21世紀初，這一技術(shù)才開始運用到水的結(jié)構(gòu)研究中。
剛讀博士沒多久，一天，博士導師對江穎說，“你打游戲很好啊?！苯f心一緊，這時他才知道，導師的兒子在電視上看到了他。本科畢業(yè)前夕，江穎和同學到現(xiàn)場觀看電子競技比賽，比賽間隙作為觀眾上去打了幾盤，被主持人肯定了電競水平。江穎從小喜歡打游戲，從小霸王到三國、街霸、拳皇的街機，一枚幣都能通全關(guān)，后來，老板看到江穎來打游戲都不太高興。
“導師一直拿著這個事兒和我開涮，其實我特別不好意思，心虛，因為我學術(shù)上沒做出什么東西，但打游戲倒是很好的樣子。”即便是現(xiàn)在回憶，江穎都不好意思得有些拘謹了?！霸诳茖W的道路上，王老師一直是我的燈塔。”
當時的博士生導師王恩哥，正是江穎日后進行水的結(jié)構(gòu)研究的合作伙伴。2008年，江穎在王恩哥力薦下，去美國加州大學歐文分校Wilson Ho院士課題組從事博士后研究，學習世界頂級的STM技術(shù)。2010年回國后，江穎開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，問能不能將STM和AFM的技術(shù)運用到水的結(jié)構(gòu)研究上去。接下來，王恩哥、江穎等的研究成果入選“2016年度中國科學十大進展”。研究的成果相繼發(fā)表在《自然》、《科學》雜志上。
今年5月，江穎以《輕元素體系的全量子化效應研究和調(diào)控》項目獲得了2018年度陳嘉庚青年科學獎——數(shù)理科學獎。這源于江穎的一系列成績：首次獲得水分子的亞分子級分辨成像并在實空間實現(xiàn)了對氫核的定位；直接觀察到水團簇內(nèi)氫核的協(xié)同量子隧穿；在國際上率先測定了氫鍵的量子成分，提出了“核量子漲落弱化弱氫鍵、強化強氫鍵”的普適物理圖像。
頒獎詞指出，這些工作開創(chuàng)了原子尺度上核量子效應研究的先河，刷新了人們對水和其他輕元素材料體系的認知，并為量子物性的調(diào)控加入全新的自由度。
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四
超高分辨掃描探針顯微鏡實驗室位于北大物理學院的地下一層，由于臨近地鐵4號線（直線距離150米），江穎有時也會覺得頭疼。“會受到影響，因為我們觀測對象極小、極弱，觀測環(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，對于振動非常敏感?！?/p>
相比譜學對大氣環(huán)境下液態(tài)水的研究，探針技術(shù)運用的環(huán)境和體系明顯受限。實驗發(fā)生在一個長約2米的真空、液氦環(huán)境的封閉腔體，觀測標本是呈固態(tài)的水分子，而實際要觀測的對象氫氧鍵，其長度小于10的負10次方米。
“這是我們無法想象的量級對吧？這么小的一個尺度，要把帶正電的氫原子和帶負電的氧原子分開。所以我們必須要用特殊信號，核心是高階靜電力。” 江穎及團隊將STM和AFM集成在一個顯微鏡，通過調(diào)控針尖的電荷分布，將探針改裝成電四極矩針尖來成像。
由于對力和電流的精度、分辨率、靈敏度的特殊需求，江穎和團隊摸索了兩三年，最終研制出了實驗所需的特殊qPlus探頭，約20微米的針尖上，通過的電流是100飛安，飛安即10的負15次方安培，感知的力則為10的負12次方牛頓。
“現(xiàn)在我們傳感器的靈敏度應該比商業(yè)化的儀器都要好?！苯f表示，傳感器是耗材，有時一天就要用一個，國家長期在進口，一個約兩千多歐元?？蒲型谐Ｕf這是卡脖子技術(shù)?！皣饫险f缺貨，也不想賣給你。我們通過特殊手段把這個傳感器做到極致，自己做就是一千塊錢的成本費?！?/p>
自發(fā)研制設備的意識是博士后階段養(yǎng)成的。在美國博士后階段的前三個月，江穎都在車間做零件，先設計三維圖，再在學校提供的學生專用車間制作出來?！盀槭裁次覀円P(guān)注設備的研發(fā)和研制？首先肯定會節(jié)約開支?！苯f指出了更重要的一點，“因為用別人的商業(yè)化設備，我們做不出獨特的東西來?！?/p>
2015年10月23日，江穎第一次通過實驗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，他畫了個橫軸為時間、縱軸為喜悅度的坐標軸，喜悅在初次觀測之時飆升至頂峰后呈斷崖式下跌。“根本不敢相信，就覺得是不是人為的假象?！苯又锹L的驗證，直到標記到2018年結(jié)果發(fā)表在《自然》時，曲線上升到了頂點，“喜悅不斷上升，漸趨飽和?！彼曇粢灿鋹偭似饋?。
“有時想想也覺得微妙，我們測極小的距離，極小的電流，極小的力，極小的信號，總是十的負多少次方。一說時間，我們的實驗時間維度通常都跨得很長，都是十的多少次方秒。通過這么長的時間的尺度，去看一個這么小的維度，還是一個很有意思的東西?！?/p>
物理學有許多宏觀的物理概念，但江穎還是對微觀的事物感興趣?！耙驗槲⒂^的我們平時也看不見嘛，看見了微觀就好像上帝一樣。學生物的人經(jīng)常說好像在做上帝的事情，他們看到的還是細胞和生物大分子，實際上我們看到的比他們還要小，我們看到的應該是到極限了，就是氫原子核了，我猜造物者應該是從原子核開始做的?！?/p>
這周末，江穎的博士后導師Wilson Ho將來到北京，這讓36歲的他想到“一些比較大的問題，”“我們這一輩科研工作者到底能夠為科學做出什么樣的貢獻，在科學史上，自己能留下怎樣的一筆？”
“我有時候也覺得焦慮。都說人有科研的黃金期，其實我覺得更重要的是整個科學的大潮，尤其我們這種偏重實驗技術(shù)的科研工作者?！彼f。在江穎的實驗中發(fā)揮了重要作用的掃描探針顯微鏡技術(shù)是在上世紀80年代出現(xiàn)的，本世紀初才運用到水的結(jié)構(gòu)的研究之中。
2018年度陳嘉庚青年科學獎的頒獎詞中，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)了一套同時對電子量子態(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)只局限于探測電子量子態(tài)的瓶頸。
“我還是期待著，說不定我們這個年代會有新的技術(shù)蹦出來，又把研究往前面推進一大步。波浪到來之前，你必須已經(jīng)準備好了?！痹诮f看來，一切只是開始，“但我特別希望自己能做一些新的設備、新的儀器，來創(chuàng)造出波浪，而不只是跟隨它?！?/p>
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江穎
1982年7月出生于四川樂山。北京大學物理學院量子材料科學中心教授，國家杰出青年科學基金獲得者。2018年獲陳嘉庚青年科學獎數(shù)理科學獎。
