王哲：中子科學(xué)的探索者

□ 倪海波

王哲博士畢業(yè)時(shí)留影

俗話說(shuō)眼見為實(shí)，但有時(shí)外表看起來(lái)千差萬(wàn)別的東西，其實(shí)卻是由同一種元素構(gòu)成的，譬如金剛石與石墨。為什么兩者的物理性質(zhì)會(huì)相差甚遠(yuǎn)呢？這是因?yàn)槲镔|(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的性質(zhì)——兩種物質(zhì)中的碳元素的排列結(jié)構(gòu)并不相同。

如何才能觀察到物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)呢？中子散射就是一種強(qiáng)有力的探測(cè)手段。與光一樣，中子具有波粒二象性，既有波的性質(zhì)，可以反射、折射、衍射、吸收，也具有粒子的性質(zhì)，可以被散射等。中子由于不帶電，因而能比其他探測(cè)方式更為輕松地穿透物質(zhì)。而當(dāng)中子束打到被研究的樣品上時(shí)，大多數(shù)中子會(huì)不受任何阻礙地穿過(guò)樣品，但也有一些中子會(huì)與研究對(duì)象的原子核發(fā)生相互作用，從而改變其運(yùn)動(dòng)方向，向四周“散射”開來(lái)。研究人員通過(guò)分析中子散射的軌跡、中子和物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)能量和動(dòng)量的變化，就能夠反推出物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

早在20世紀(jì)五六十年代，加拿大麥克馬斯特大學(xué)的伯特倫·布羅克豪斯和美國(guó)麻省理工學(xué)院的克利福德·沙爾就分別開始從事中子散射技術(shù)研究，并將這一技術(shù)運(yùn)用于凝聚態(tài)物理的研究，取得了重大成果。他們二人也因此共同被瑞典皇家科學(xué)院授予1994年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典皇家科學(xué)院在通報(bào)中說(shuō)，他們的貢獻(xiàn)在于：“沙爾幫助解答了原子在哪里的問(wèn)題，而布羅克豪斯幫助解答了原子在做什么的問(wèn)題”。

作為核科學(xué)的重要應(yīng)用之一，中子散射技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，在研究高分子、固體物理、磁性材料、軟物質(zhì)和液體等方面均取得了輝煌成就，已成為物質(zhì)科學(xué)研究和新材料研究的重要方法，日益受到各國(guó)重視。清華大學(xué)工程物理系教授王哲就是該領(lǐng)域的年輕學(xué)者之一。“85后”的王哲憑著對(duì)物理的熱愛與執(zhí)著，不斷在該領(lǐng)域潛心鉆研，希望依托清華大學(xué)這一優(yōu)秀平臺(tái)，為我國(guó)中子科學(xué)的發(fā)展獻(xiàn)出一份力。

興趣指引 走上科研路

興趣是最好的老師，也是指路的燈塔，更是人生前進(jìn)道路上的動(dòng)力之源。當(dāng)面對(duì)挫折、感到困惑的時(shí)候，濃厚的興趣總能助人一往無(wú)前。

博士畢業(yè)于美國(guó)麻省理工學(xué)院的王哲，其求學(xué)之路并非一帆風(fēng)順，也曾經(jīng)歷高考落榜。但如同每一枚硬幣都有兩面一樣，落榜是挫折更是機(jī)遇。通過(guò)一年的刻苦復(fù)讀，他的成績(jī)得到進(jìn)一步提升，并最終考取了清華大學(xué)工程物理系。“我對(duì)物理挺感興趣，但覺得念純理論物理并不合適，就選擇了更偏工程或者說(shuō)是應(yīng)用層次的學(xué)科?！闭劦竭x擇專業(yè)的初衷時(shí)，王哲回憶說(shuō)。當(dāng)時(shí)對(duì)大學(xué)專業(yè)并不十分清楚的王哲，冥冥之中在興趣的指引下，開啟了物理研究的大門。

工程物理系中的核科學(xué)與技術(shù)一級(jí)學(xué)科是清華大學(xué)的傳統(tǒng)和優(yōu)勢(shì)學(xué)科，曾連續(xù)3次在全國(guó)一級(jí)學(xué)科評(píng)估中排名第一。正是在這所百年名校良好學(xué)風(fēng)的熏陶下，在工程物理系培養(yǎng)高素質(zhì)、高質(zhì)量、具有國(guó)際化視野的理念的影響下，4年中，王哲不僅對(duì)核技術(shù)及應(yīng)用、技術(shù)物理等學(xué)科有了初步的了解，也更加堅(jiān)定了走上科研之路的信念。

名師指點(diǎn) 學(xué)業(yè)銳意進(jìn)取

青年時(shí)代的所見所聞，常常會(huì)深刻地影響一個(gè)人的世界觀、價(jià)值觀的形成，甚至?xí)Q定一個(gè)人的人生規(guī)劃。本科畢業(yè)后，被譽(yù)為“世界理工大學(xué)之最”的美國(guó)麻省理工學(xué)院就成為王哲新的起點(diǎn)。身處世界頂級(jí)學(xué)府，其自由的學(xué)術(shù)氣氛和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度深深地觸動(dòng)了王哲，使他很快成長(zhǎng)起來(lái)，并為日后從事中子科學(xué)研究工作奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

2010年至2015年期間，王哲在麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系攻讀博士，師從國(guó)際著名中子散射知名專家、美國(guó)中子散射協(xié)會(huì)終身成就獎(jiǎng)得主陳守信教授，學(xué)習(xí)中子散射技術(shù)及其在液體物理中的應(yīng)用?！拔业睦蠋熓侵Z貝爾獎(jiǎng)獲得者布羅克豪斯的開山弟子，他在20世紀(jì)60年代就去麻省理工學(xué)院當(dāng)教授了，相當(dāng)于我的師公就是我們這行的鼻祖?！辈稍L中王哲介紹說(shuō)。名師出高徒，在陳教授的悉心指導(dǎo)下，王哲利用中子散射技術(shù)在水的低溫性質(zhì)方面取得了系統(tǒng)性的成果，而這項(xiàng)成果也被美國(guó)科學(xué)院院士H. E. Stanley教授高度評(píng)價(jià)。

學(xué)海無(wú)涯，上下求索。憑借博士期間的優(yōu)異表現(xiàn)，畢業(yè)后的王哲加入了美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中子科學(xué)部，開始從事博士后研究工作。在近兩年的時(shí)間里，王哲利用中子散射技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和流變學(xué)測(cè)量，對(duì)復(fù)雜流體、高分子物理和無(wú)序材料展開深入研究，并取得了原創(chuàng)性的重要成果，特別是在高分子材料在非線性流動(dòng)區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)方面。

2015年秋，王哲加入橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中子科學(xué)部的軟物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)研究組，并與該實(shí)驗(yàn)室納米相材料科學(xué)中心的流變學(xué)專家王陽(yáng)陽(yáng)博士合作，利用中子散射技術(shù)，對(duì)高分子材料在非線性流動(dòng)情況下，分子尺度上的形變進(jìn)行了研究。作為當(dāng)今應(yīng)用最廣的重要材料之一，高分子材料的宏觀形變特性和微觀基礎(chǔ)歷來(lái)都備受關(guān)注，一直是研究熱點(diǎn)。但傳統(tǒng)的研究方法過(guò)于粗糙，無(wú)法體現(xiàn)高分子材料在分子尺度上的形變細(xì)節(jié)，并在測(cè)量和計(jì)算上長(zhǎng)期存在難以解決的漏洞。

為此，王哲他們提出了“球諧函數(shù)展開”方法，不僅從根本上解決了該問(wèn)題，還為研究高分子材料在非線性區(qū)域流動(dòng)時(shí)分子尺度上的形變提供了新的框架，并最終發(fā)現(xiàn)該領(lǐng)域最有影響力的理論“管道模型”（tube model）會(huì)在短時(shí)間尺度和分子尺度上失效。這一發(fā)現(xiàn)解決了該領(lǐng)域內(nèi)30年來(lái)爭(zhēng)論未決的重要問(wèn)題?；诖?，王哲作為第一和共同通訊作者的論文不僅刊發(fā)在Physical Review X上，并被選為“Viewpoint in Physics”。據(jù)悉，Physical Review X作為Physical Review系列期刊中影響因子最高的期刊，一年僅發(fā)表200篇論文，其中僅有1/10左右的論文會(huì)被選為Viewpoint in Physics，王哲他們的研究對(duì)于高分子材料形變研究的重要意義不言而喻。

與此同時(shí)，在復(fù)雜流體的物性研究方面，王哲也取得了不俗的成績(jī)。他與該實(shí)驗(yàn)室的中子散射專家陳威仁合作，利用流變—小角中子散射方法，對(duì)于復(fù)雜流體在非線性流動(dòng)情況下的微觀機(jī)理進(jìn)行了定量的研究。在回到清華大學(xué)工作之后，王哲繼續(xù)了這一研究，并得到描述該情況下流體黏度的模型。王哲作為第一和共同通訊作者撰寫的相關(guān)論文發(fā)表于Physical Chemistry Chemical Physics上，同時(shí)因其創(chuàng)新性，該文被選為卷封底論文并入選年度熱點(diǎn)論文。

博士后研究期間，精彩而豐富的經(jīng)歷也幫王哲確立了日后的科研方向?！拔椰F(xiàn)在的研究方向的一部分想法是在那時(shí)形成的，當(dāng)時(shí)我和橡樹嶺的同事開始思考這個(gè)問(wèn)題，即研究一些流體或者軟物質(zhì)在非平衡態(tài)下的某些性質(zhì)。我覺得挺有意思，它既有理論的根基也能和物理學(xué)聯(lián)系，在化工等行業(yè)具有很大的潛在價(jià)值?！蓖跽芙榻B道。

學(xué)成歸來(lái) 書寫中子研究新篇章

基于中子散射技術(shù)在物理、化學(xué)等諸多行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的重要作用，近10多年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼投入大量經(jīng)費(fèi)，建造了一批先進(jìn)的中子大科學(xué)平臺(tái)，譬如德國(guó)FRM—Ⅱ、澳大利亞OPAL、美國(guó)SNS、日本PARC等。同時(shí)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，近年來(lái)我國(guó)也斥巨資建成或在建多個(gè)大型中子源，包括中國(guó)先進(jìn)研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）、中國(guó)綿陽(yáng)研究堆（China Mianyang Research Reactor，CMRR）及中國(guó)散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）。

而作為國(guó)內(nèi)頂尖學(xué)府，清華大學(xué)也于2009年立項(xiàng)建設(shè)微型脈沖強(qiáng)子源（Compact Pulsed Hadron Source，CPHS）。CPHS已于2013年獲得3MeV質(zhì)子束流和熱中子束流，并于2019年升級(jí)至13MeV，同時(shí)已安裝低溫慢化器以獲得冷中子束流，小角中子散射束線也正在設(shè)計(jì)建造之中。科技發(fā)展的核心在于人才，當(dāng)時(shí)清華大學(xué)正需要像王哲這樣的專業(yè)人才，校方認(rèn)為“王哲博士在中子散射相關(guān)科學(xué)方面做出了國(guó)際同行公認(rèn)的重要研究”，便向他發(fā)出了誠(chéng)摯的邀請(qǐng)，積極推薦他申請(qǐng)“青年千人計(jì)劃”。同時(shí)在王哲看來(lái)“這次機(jī)會(huì)也的確不容易”，彼此的認(rèn)可使他踏上了歸途，之后他便以助理教授的身份加入了母校，成為中國(guó)中子散射技術(shù)和應(yīng)用方面的一名青年學(xué)者。

萬(wàn)事開頭難，但王哲早已做好心理準(zhǔn)備，“有困難就克服一下，總得有一個(gè)過(guò)渡的階段，我覺得這是不可避免的?！睆?017年至今，王哲一直抱著樂觀的心態(tài)，積極準(zhǔn)備著各項(xiàng)工作。“我們系是一個(gè)老系，沒辦法馬上騰出實(shí)驗(yàn)室，之前我基本上都是在外邊借別人的實(shí)驗(yàn)室去做一些樣品的準(zhǔn)備，或者是測(cè)量之類的工作?！鞭k法總比困難多，積極的王哲總是想盡辦法達(dá)成目標(biāo)。如今經(jīng)過(guò)調(diào)整，他的實(shí)驗(yàn)室即將可以投入使用，為他下一步的研究做好準(zhǔn)備。

除了硬件設(shè)備，在研究人員方面，王哲也是抱著慢慢培養(yǎng)的心態(tài)。“2017年時(shí)，我招了一個(gè)學(xué)生，當(dāng)時(shí)他是大四。我覺得磨刀不誤砍柴工，前兩年我就希望他能專心念書學(xué)習(xí)，把基礎(chǔ)打好，不讓他們做實(shí)驗(yàn)室打雜的事兒。而且我們系是一個(gè)偏工科的系，他們要學(xué)的東西比較多，我自己大概寫了三四百頁(yè)的講義去給他們講課，總得讓學(xué)生熟悉一下這個(gè)學(xué)科，得有一個(gè)成長(zhǎng)的過(guò)程，前兩年我自己拼下來(lái)就行。”兩年中王哲一力承擔(dān)了實(shí)驗(yàn)室所有的工作，只為學(xué)生能夠更好地成長(zhǎng)。

研討會(huì)上作報(bào)告

學(xué)科建設(shè)對(duì)于王哲來(lái)說(shuō)同樣重要，這是他作為高校教師的另一項(xiàng)重要職責(zé)。為了準(zhǔn)備好本科生和研究生的課程，王哲花費(fèi)了半年多的時(shí)間，每天“朝九晚十”不辭辛苦?！爸凶由⑸湓砗蛻?yīng)用課程是新開設(shè)的，我愿意把它做好。而且系主任王學(xué)武老師也特別支持我，他一有空就會(huì)來(lái)聽課，對(duì)我的啟發(fā)特別大?！苯衲?月份，這門課程正式開講，將為我國(guó)培養(yǎng)中子散射人才、推廣中子散射在中國(guó)的發(fā)展獻(xiàn)一份力。

與此同時(shí)，忙碌的王哲在科研方面也從未松懈，目前他已申請(qǐng)了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，擬結(jié)合小角中子散射技術(shù)和流變學(xué)方法，研究?jī)深惔硇缘膹?fù)雜流體（高分子熔體、膠體分散體）的流動(dòng)與形變。高分子熔體、膠體、凝膠等物質(zhì)，由于其成分和性質(zhì)較為復(fù)雜，常被稱為復(fù)雜流體。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、法國(guó)物理學(xué)家Pierre-Gilles de Gennes在他的諾貝爾獎(jiǎng)演講中將這類物質(zhì)稱為“軟物質(zhì)”。這類物質(zhì)廣泛存在于化工、食品、化妝品以及制藥等行業(yè)當(dāng)中。它們的形變和流動(dòng)特性在相關(guān)工業(yè)中扮演著舉足輕重的角色。因此，研究復(fù)雜流體的形變和流動(dòng)性質(zhì)具有豐富的技術(shù)發(fā)展實(shí)際價(jià)值，一直是軟物質(zhì)物理的熱點(diǎn)問(wèn)題。

未來(lái)，王哲將依托國(guó)際主流大型中子源、清華大學(xué)物理系正在建設(shè)的微型脈沖強(qiáng)子源和小角散射譜儀等裝置，與中國(guó)工程物理研究院綿陽(yáng)研究堆（CMRR）的科研人員通力合作，并在大連理工大學(xué)馬紅衛(wèi)老師、橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室陳威仁研究員等人的幫助下，開展相關(guān)研究?！爸袊?guó)中子科學(xué)研究的起步雖然晚一些，在我國(guó)還是一個(gè)新生事物，但國(guó)家很重視，目前它正處于朝陽(yáng)期，未來(lái)會(huì)有更好的發(fā)展?！睗M懷信心的王哲還將繼續(xù)前行在中子科學(xué)的研究道路上，不斷攀登新的高峰。