江穎：在水世界里解開科學(xué)的世紀(jì)難題

唐婷

幾乎拿獎到手軟的他，非常看重的一份榮譽(yù)，卻是北京大學(xué)2018年教學(xué)優(yōu)秀獎。他把這份獲獎證書擺在了柜子的最高一層。

在日常生活中，水實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)報告會上，來自英國的一位水科學(xué)領(lǐng)域資深教授的報告內(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。長期以來，關(guān)于水結(jié)構(gòu)的理論研究有很多，但從實驗層面來看，鮮有能和理論研究進(jìn)行直接對比驗證的結(jié)果。

選擇迎難而上的江穎，和他所在的團(tuán)隊一道，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“真面目”……他們的研究發(fā)現(xiàn)，不斷地刷新人們對于水的認(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青年科技獎。

讓“隱形”的氫原子顯形

初中化學(xué)課上，老師們講過，水分子由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成。聽上去，水的分子結(jié)構(gòu)似乎很簡單。可要在顯微鏡下真正看到水分子的結(jié)構(gòu)，并非易事。“在化學(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‘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。在美國做博士后研究時，掃描探針顯微術(shù)是江穎主要的研究手段之一。通過探測電流，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)到原子級別。通常，光學(xué)顯微鏡的分辨率能達(dá)到幾百納米的量級，而掃描探針顯微鏡的分辨率能小于一個納米。在分辨率上，后者比前者要高3個量級。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)隊成員2010年開始著手設(shè)計實驗。在液態(tài)情況下，水的流動性非常強(qiáng)。想要對單個水分子成像，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”住單個水分子，同時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)隊在實驗室里首次觀測并拍攝到了單個水分子的內(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的實驗手段，以及精準(zhǔn)可靠的計算模擬方法。

在看清單個水分子的“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)和動力學(xué)行為，首先面臨的挑戰(zhàn)是制備單個離子水合物。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)展了一套獨特的離子操控技術(shù)。”江穎介紹道，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離子水合物。制備出的單個離子水合物團(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。相比水臺子團(tuán)簇而言，離子水合物更加脆弱。對此，江穎團(tuán)隊研發(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”水合離子的原子級圖像。

把科研種子撒進(jìn)學(xué)生心田

在水科學(xué)實驗領(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。幾乎拿獎到手軟的他，非常看重的一份榮譽(yù)，卻是北京大學(xué)2018年教學(xué)優(yōu)秀獎。他把這份獲獎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獎項，很享受教書育人的過程。尤其是，幫助一些能力相對不那么突出的孩子，讓他們在學(xué)業(yè)上有提升，這讓我更有成就感。”江穎說道。

為了給本科生和研究生講好《表面物理》這門課程，江穎會花很多心思去設(shè)計授課的內(nèi)容和形式。在講授知識的同時，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，才能支撐他們在科研道路上走得更遠(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力。”江穎坦言。