江穎“看見”原子的極限

歐陽詩蕾

一

一滴水掉進一杯水，將發生什么？

從江河匯海、積雨成泉，到詩詞中的“抽刀斷水水更流”，水獨特的物理性質在生活中極為常見。“液態水在室溫下可以不斷地變化、斷鍵成鍵，從而形成各種動態的網絡結構。”專注于凝聚態物理、物理化學領域研究的江穎表示，水算得上世界上最復雜的物質結構。

《科學》雜志創刊125周年的特刊中，將這個問題列入了125個最具挑戰的科學難題——水的結構是什么？

“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，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構的研究。至今，譜學的研究方式占大多數，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境有細微的差別和變化，最后效果可能就被平均掉了。”

“迄今為止，還沒有任何非常直觀的手段能夠把水的內部結構看清。”江穎重點關注原子尺度上的物性，他認為看清氫原子對研究水的結構尤為重要。“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絡結構是完全不一樣的。”

江穎在北京大學超高分辨掃描探針顯微鏡實驗室

氫原子是世界上體積最小、質量最輕的原子，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，僅相當于一根頭發絲的百萬分之一。此前相當長的時間內，科學家們都在倒空間中表達水的結構。而水這個生活中極為常見的存在，從人們肉眼可見的實空間經過變換和假設到倒空間時，就已增添了很多不確定性。

二

隨著2003年博士階段啟程，江穎開始研究掃描探針顯微鏡技術。21世紀初，掃描探針顯微鏡技術才開始運用到水的結構研究中。接下來，正如其他科學學科，技術革新推動著學科的進步。

2014年，國際范圍內首次實現了水分子的亞分子級分辨成像——北京大學量子材料中心、量子物質科學協同創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部軌道結構。這意味著，在實驗中直接解析水的氫鍵網絡構型成為了可能。

接下來，江穎與團隊將分辨率從水分子推向了氫原子。通過發展對于氫核敏感的超高分辨原子力顯微術，探測到氫核產生的極其微弱的高階靜電力，實現了單個水分子內部自由度的成像和水的氫鍵網絡構型的直接識別。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，水的內部結構自由度知道了，那水分子到底怎么樣通過氫鍵結合成網絡結構，也就知道了。”江穎說。此外，他們的實驗結果也首次在原子尺度揭示了氫原子核的量子效應，工作成果發表在《科學》。

緊接著，他將自主研發的原子力顯微鏡技術運用到了水合離子上。生活中鹽的溶解、大氣污染、生命體內的離子轉移等現象，都與水合離子密切相關。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。“水分子在離子周圍可以有非常多的自由度來調整水的姿態，導致很多亞穩態，如果不用能夠看到氫原子的技術去成像的話，你很難把它的結構搞清楚。以前是很難把它定下來的。”

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，水合離子的微觀結構和動力學一直是學術界爭論的焦點。

今年5月，《自然》發表了江穎與王恩哥帶領的課題組的實驗結果，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。

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。

江穎在操作qPlus型掃描探針顯微鏡

大三這年，畢業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課叫“量子力學”。盡管當時的考試分數接近滿分，但他還是覺得自己學不懂。“這門課對我沖擊特別大，因為好多東西都很難想象，都是反自然的現象。學物理的都會告訴你，量子力學是最抽象的課。”

當從網絡上看到掃描隧道顯微鏡（STM）可以直觀形式呈現量子力學的一些現象時。已經保研的江穎感到非常不可思議。“比如大家概念中像粒子一樣一顆一顆的電子，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。”

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，這一技術才開始運用到水的結構研究中。

剛讀博士沒多久，一天，博士導師對江穎說，“你打游戲很好啊。”江穎心一緊，這時他才知道，導師的兒子在電視上看到了他。本科畢業前夕，江穎和同學到現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，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，因為我學術上沒做出什么東西，但打游戲倒是很好的樣子。”即便是現存回憶，江穎都不好意思得有些拘謹了。“在科學的道路上，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構研究的合作伙伴。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。2010年同國后，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的技術運用到水的結構研究上去。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控》項目獲得了2018年度陳嘉庚青年科學獎——數理科學獎。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了對氫核的定位;直接觀察到水團簇內氫核的協同量子隧穿;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，并為量子物性的調控加入全新的自由度。

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，岡為我們觀測對象極小、極弱，觀測環境又是超高真空、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。”

相比譜學對大氣環境下液態水的研究，探針技術運用的環境和體系明顯受限。實驗發生在一個長約2米的真空、液氦環境的封閉腔體，觀測標本是呈固態的水分子，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hE？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。

“現在我們傳感器的靈敏度應該比商業化的儀器都要好。”江穎表示，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。科研同行常說這是卡脖子技術。“國外老說缺貨，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。”

自發研制設備的意識是博士后階段養成的。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。“為什么我們要關注設備的研發和研制？首先肯定會節約開支。”汀穎指出了更重要的一點，“因為用別人的商業化設備，我們做不出獨特的東西來。”

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。”接著是漫長的驗證，直到標記到2018年結果發表在《自然》時，曲線上升到了頂點，“喜悅不斷上升，漸趨飽和。”他聲音也愉悅了起來。

“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。”

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。“因為微觀的我們平時也看不見嘛，看見了微觀就好像上帝一樣。學生物的人經常說好像在做上帝的事情。他們看到的還是細胞和生物火分子，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。”

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的科研工作者。”他說。在江穎的實驗中發揮了重要作用的掃描探針顯微鏡技術是存上世紀80年代出現的，本世紀初才運用到水的結構的研究之中。

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上的突破。江穎與合作者成功研發了一套同時對電子量子態和原子核量子態敏感的新型掃描探針顯微術，突破了傳統技術只局限于探測電子量子態的瓶頸。

“我還是期待著，說不定我們這個年代會有新的技術蹦出來，又把研究往前面推進一大步。波浪到來之前。你必須已經準備好了。”在江穎看來，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，來創造出波浪，而不只是跟隨它。”