江穎：在水世界里解開科學(xué)的世紀(jì)難題

唐婷

幾乎拿獎(jiǎng)到手軟的他，非?？粗氐囊环輼s譽(yù)，卻是北京大學(xué)2018年教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)。他把這份獲獎(jiǎng)證書擺在了柜子的最高一層。

在日常生活中，水實(shí)在是再普通不過的物質(zhì)了。但熟悉的東西，人們卻未必真正地了解。“水的結(jié)構(gòu)如何”，曾被《科學(xué)》雜志列為本世紀(jì)125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。在10年前的一次學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)上，來自英國(guó)的一位水科學(xué)領(lǐng)域資深教授的報(bào)告內(nèi)容，給北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心教授江穎留下了深刻的印象。長(zhǎng)期以來，關(guān)于水結(jié)構(gòu)的理論研究有很多，但從實(shí)驗(yàn)層面來看，鮮有能和理論研究進(jìn)行直接對(duì)比驗(yàn)證的結(jié)果。

選擇迎難而上的江穎，和他所在的團(tuán)隊(duì)一道，逐步逼近水的“真相”。首次拍攝到水分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、首次看到水合鈉離子的原子級(jí)“真面目”……他們的研究發(fā)現(xiàn)，不斷地刷新人們對(duì)于水的認(rèn)知。近日，由于其突出的科研表現(xiàn)，江穎榮獲第十五屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)。

讓“隱形”的氫原子顯形

初中化學(xué)課上，老師們講過，水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成。聽上去，水的分子結(jié)構(gòu)似乎很簡(jiǎn)單?？梢陲@微鏡下真正看到水分子的結(jié)構(gòu)，并非易事?！霸诨瘜W(xué)元素周期表上排第一的氫，它的質(zhì)量和尺寸都非常的小，就像是一個(gè)‘隱形的原子一樣，想在顯微鏡下捕捉到它并為其成像非常困難。”江穎說道。在美國(guó)做博士后研究時(shí)，掃描探針顯微術(shù)是江穎主要的研究手段之一。通過探測(cè)電流，掃描探針顯微鏡能夠?qū)ξ镔|(zhì)表面的形貌進(jìn)行表征，分辨率可達(dá)到原子級(jí)別。通常，光學(xué)顯微鏡的分辨率能達(dá)到幾百納米的量級(jí)，而掃描探針顯微鏡的分辨率能小于一個(gè)納米。在分辨率上，后者比前者要高3個(gè)量級(jí)。借助掃描探針顯微技術(shù)，能否讓氫原子顯形？

說干就干。江穎和團(tuán)隊(duì)成員2010年開始著手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。在液態(tài)情況下，水的流動(dòng)性非常強(qiáng)。想要對(duì)單個(gè)水分子成像，需要讓它能穩(wěn)定地待在某種物質(zhì)的表面上，也就是說，要找到合適的襯底。過去，科學(xué)家一般采用金屬作為襯底，把水直接放在金屬表面上進(jìn)行觀察。采用這種方法，拍攝到的水分子照片，最多只能拍出其模糊的外形——一個(gè)沒有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圓形凸起。

為了拍到水分子的“高清圖”，江穎團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，在金屬和水分子中間插入了一層絕緣的氯化鈉薄膜。氯化鈉可以牢牢地“抓”住單個(gè)水分子，同時(shí)減弱了水分子與金屬襯底之間的耦合，從而幫助科學(xué)家觀測(cè)并拍攝到水分子吸附在氯化鈉表面上的形貌和水分子的具體結(jié)構(gòu)。

功夫不負(fù)有心人。2013年，江穎團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里首次觀測(cè)并拍攝到了單個(gè)水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，看到了氫原子和氧原子在水分子里是如何排列的。

首次“看到”水合離子

相信很多人都有過自制鹽水的經(jīng)歷。舀一勺鹽，倒進(jìn)一杯水里攪一攪，就能很容易地得到一杯鹽水。可是，從微觀層面來看，水分子和鹽離子之間到底是如何相互作用的？這一直是科學(xué)家們迫切想解開的謎團(tuán)。

早在19世紀(jì)末，科學(xué)家就開始了對(duì)離子水合過程的研究，但至今其中的許多問題尚無定論。在江穎看來，究其原因，關(guān)鍵在于缺乏直接觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)手段，以及精準(zhǔn)可靠的計(jì)算模擬方法。

在看清單個(gè)水分子的“本質(zhì)”以后，江穎將研究視野擴(kuò)展到了離子水合物。要研究離子水合物的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)行為，首先面臨的挑戰(zhàn)是制備單個(gè)離子水合物。雖然得到一杯鹽水很容易，可是要在一杯鹽水里挑出單個(gè)的離子水合物卻非常困難。離子水合物相互聚集、相互影響，水合結(jié)構(gòu)也在不斷變化，不利于高分辨成像。

“對(duì)此，我們經(jīng)過不斷的嘗試和摸索，基于掃描隧道顯微鏡發(fā)展了一套獨(dú)特的離子操控技術(shù)?！苯f介紹道，將非常尖銳的金屬針尖用作原子、分子世界的“機(jī)械手”，能夠可控地制備單個(gè)離子水合物。制備出的單個(gè)離子水合物團(tuán)簇后，接下來需要通過高分辨成像弄清楚其幾何吸附構(gòu)型。相比水臺(tái)子團(tuán)簇而言，離子水合物更加脆弱。對(duì)此，江穎團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種非侵?jǐn)_式原子力顯微鏡成像技術(shù)，在2018年得到了鈉離子水合物的原子層次圖像。

水合離子的概念提出一百多年米，科學(xué)家終于首次直接“看到”水合離子的原子級(jí)圖像。

把科研種子撒進(jìn)學(xué)生心田

在水科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域接連取得的進(jìn)展，使得江穎贏得了許多來自學(xué)術(shù)界的肯定。幾乎拿獎(jiǎng)到手軟的他，非?？粗氐囊环輼s譽(yù)，卻是北京大學(xué)2018年教學(xué)優(yōu)秀獎(jiǎng)。他把這份獲獎(jiǎng)證書擺在了柜子的最高一層。

“日常工作中，科研是我的主業(yè)，教學(xué)是副業(yè)。但我還是非常看重這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，很享受教書育人的過程。尤其是，幫助一些能力相對(duì)不那么突出的孩子，讓他們?cè)趯W(xué)業(yè)上有提升，這讓我更有成就感?！苯f說道。

為了給本科生和研究生講好《表面物理》這門課程，江穎會(huì)花很多心思去設(shè)計(jì)授課的內(nèi)容和形式。在講授知識(shí)的同時(shí)，江穎也藏有一些“私心”。他希望，通過上這門課，激發(fā)同學(xué)們從事科研，尤其是基礎(chǔ)科研的興趣。

令江穎感到有些遺憾的是，出于一些現(xiàn)實(shí)原因的考慮，物理專業(yè)有一些非常聰明的學(xué)生，畢業(yè)后沒有從事相關(guān)科研工作，而是轉(zhuǎn)行到金融或其他領(lǐng)域。

“只有發(fā)自內(nèi)心的熱愛，才能支撐他們?cè)诳蒲械缆飞献叩酶h(yuǎn)。如果能通過一門結(jié)合基礎(chǔ)科學(xué)理論和前沿科學(xué)進(jìn)展的課程，較早地激發(fā)他們潛在的科研興趣，是我講好這門課程的最大動(dòng)力?！苯f坦言。