王哲：中子科學的探索者

□ 倪海波

王哲博士畢業時留影

俗話說眼見為實，但有時外表看起來千差萬別的東西，其實卻是由同一種元素構成的，譬如金剛石與石墨。為什么兩者的物理性質會相差甚遠呢？這是因為物質的結構決定了物質的性質——兩種物質中的碳元素的排列結構并不相同。

如何才能觀察到物質的微觀結構和動態呢？中子散射就是一種強有力的探測手段。與光一樣，中子具有波粒二象性，既有波的性質，可以反射、折射、衍射、吸收，也具有粒子的性質，可以被散射等。中子由于不帶電，因而能比其他探測方式更為輕松地穿透物質。而當中子束打到被研究的樣品上時，大多數中子會不受任何阻礙地穿過樣品，但也有一些中子會與研究對象的原子核發生相互作用，從而改變其運動方向，向四周“散射”開來。研究人員通過分析中子散射的軌跡、中子和物質發生作用時能量和動量的變化，就能夠反推出物質的結構。

早在20世紀五六十年代，加拿大麥克馬斯特大學的伯特倫·布羅克豪斯和美國麻省理工學院的克利福德·沙爾就分別開始從事中子散射技術研究，并將這一技術運用于凝聚態物理的研究，取得了重大成果。他們二人也因此共同被瑞典皇家科學院授予1994年度諾貝爾物理學獎。瑞典皇家科學院在通報中說，他們的貢獻在于：“沙爾幫助解答了原子在哪里的問題，而布羅克豪斯幫助解答了原子在做什么的問題”。

作為核科學的重要應用之一，中子散射技術自發明以來，在研究高分子、固體物理、磁性材料、軟物質和液體等方面均取得了輝煌成就，已成為物質科學研究和新材料研究的重要方法，日益受到各國重視。清華大學工程物理系教授王哲就是該領域的年輕學者之一。“85后”的王哲憑著對物理的熱愛與執著，不斷在該領域潛心鉆研，希望依托清華大學這一優秀平臺，為我國中子科學的發展獻出一份力。

興趣指引 走上科研路

興趣是最好的老師，也是指路的燈塔，更是人生前進道路上的動力之源。當面對挫折、感到困惑的時候，濃厚的興趣總能助人一往無前。

博士畢業于美國麻省理工學院的王哲，其求學之路并非一帆風順，也曾經歷高考落榜。但如同每一枚硬幣都有兩面一樣，落榜是挫折更是機遇。通過一年的刻苦復讀，他的成績得到進一步提升，并最終考取了清華大學工程物理系。“我對物理挺感興趣，但覺得念純理論物理并不合適，就選擇了更偏工程或者說是應用層次的學科。”談到選擇專業的初衷時，王哲回憶說。當時對大學專業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與技術一級學科是清華大學的傳統和優勢學科，曾連續3次在全國一級學科評估中排名第一。正是在這所百年名校良好學風的熏陶下，在工程物理系培養高素質、高質量、具有國際化視野的理念的影響下，4年中，王哲不僅對核技術及應用、技術物理等學科有了初步的了解，也更加堅定了走上科研之路的信念。

名師指點 學業銳意進取

青年時代的所見所聞，常常會深刻地影響一個人的世界觀、價值觀的形成，甚至會決定一個人的人生規劃。本科畢業后，被譽為“世界理工大學之最”的美國麻省理工學院就成為王哲新的起點。身處世界頂級學府，其自由的學術氣氛和嚴謹的科研態度深深地觸動了王哲，使他很快成長起來，并為日后從事中子科學研究工作奠定了扎實的基礎。

2010年至2015年期間，王哲在麻省理工學院核科學與工程系攻讀博士，師從國際著名中子散射知名專家、美國中子散射協會終身成就獎得主陳守信教授，學習中子散射技術及其在液體物理中的應用。“我的老師是諾貝爾獎獲得者布羅克豪斯的開山弟子，他在20世紀60年代就去麻省理工學院當教授了，相當于我的師公就是我們這行的鼻祖。”采訪中王哲介紹說。名師出高徒，在陳教授的悉心指導下，王哲利用中子散射技術在水的低溫性質方面取得了系統性的成果，而這項成果也被美國科學院院士H. E. Stanley教授高度評價。

學海無涯，上下求索。憑借博士期間的優異表現，畢業后的王哲加入了美國橡樹嶺國家實驗室中子科學部，開始從事博士后研究工作。在近兩年的時間里，王哲利用中子散射技術，結合計算機模擬和流變學測量，對復雜流體、高分子物理和無序材料展開深入研究，并取得了原創性的重要成果，特別是在高分子材料在非線性流動區域的微觀結構方面。

2015年秋，王哲加入橡樹嶺國家實驗室中子科學部的軟物質結構與動態研究組，并與該實驗室納米相材料科學中心的流變學專家王陽陽博士合作，利用中子散射技術，對高分子材料在非線性流動情況下，分子尺度上的形變進行了研究。作為當今應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歷來都備受關注，一直是研究熱點。但傳統的研究方法過于粗糙，無法體現高分子材料在分子尺度上的形變細節，并在測量和計算上長期存在難以解決的漏洞。

為此，王哲他們提出了“球諧函數展開”方法，不僅從根本上解決了該問題，還為研究高分子材料在非線性區域流動時分子尺度上的形變提供了新的框架，并最終發現該領域最有影響力的理論“管道模型”（tube model）會在短時間尺度和分子尺度上失效。這一發現解決了該領域內30年來爭論未決的重要問題。基于此，王哲作為第一和共同通訊作者的論文不僅刊發在Physical Review X上，并被選為“Viewpoint in Physics”。據悉，Physical Review X作為Physical Review系列期刊中影響因子最高的期刊，一年僅發表200篇論文，其中僅有1/10左右的論文會被選為Viewpoint in Physics，王哲他們的研究對于高分子材料形變研究的重要意義不言而喻。

與此同時，在復雜流體的物性研究方面，王哲也取得了不俗的成績。他與該實驗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，對于復雜流體在非線性流動情況下的微觀機理進行了定量的研究。在回到清華大學工作之后，王哲繼續了這一研究，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論文發表于Physical Chemistry Chemical Physics上，同時因其創新性，該文被選為卷封底論文并入選年度熱點論文。

博士后研究期間，精彩而豐富的經歷也幫王哲確立了日后的科研方向。“我現在的研究方向的一部分想法是在那時形成的，當時我和橡樹嶺的同事開始思考這個問題，即研究一些流體或者軟物質在非平衡態下的某些性質。我覺得挺有意思，它既有理論的根基也能和物理學聯系，在化工等行業具有很大的潛在價值。”王哲介紹道。

學成歸來 書寫中子研究新篇章

基于中子散射技術在物理、化學等諸多行業領域內的重要作用，近10多年來發達國家相繼投入大量經費，建造了一批先進的中子大科學平臺，譬如德國FRM—Ⅱ、澳大利亞OPAL、美國SNS、日本PARC等。同時，隨著我國基礎科學和高新技術產業的快速發展，近年來我國也斥巨資建成或在建多個大型中子源，包括中國先進研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）、中國綿陽研究堆（China Mianyang Research Reactor，CMRR）及中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）。

而作為國內頂尖學府，清華大學也于2009年立項建設微型脈沖強子源（Compact Pulsed Hadron Source，CPHS）。CPHS已于2013年獲得3MeV質子束流和熱中子束流，并于2019年升級至13MeV，同時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計建造之中。科技發展的核心在于人才，當時清華大學正需要像王哲這樣的專業人才，校方認為“王哲博士在中子散射相關科學方面做出了國際同行公認的重要研究”，便向他發出了誠摯的邀請，積極推薦他申請“青年千人計劃”。同時在王哲看來“這次機會也的確不容易”，彼此的認可使他踏上了歸途，之后他便以助理教授的身份加入了母校，成為中國中子散射技術和應用方面的一名青年學者。

萬事開頭難，但王哲早已做好心理準備，“有困難就克服一下，總得有一個過渡的階段，我覺得這是不可避免的。”從2017年至今，王哲一直抱著樂觀的心態，積極準備著各項工作。“我們系是一個老系，沒辦法馬上騰出實驗室，之前我基本上都是在外邊借別人的實驗室去做一些樣品的準備，或者是測量之類的工作。”辦法總比困難多，積極的王哲總是想盡辦法達成目標。如今經過調整，他的實驗室即將可以投入使用，為他下一步的研究做好準備。

除了硬件設備，在研究人員方面，王哲也是抱著慢慢培養的心態。“2017年時，我招了一個學生，當時他是大四。我覺得磨刀不誤砍柴工，前兩年我就希望他能專心念書學習，把基礎打好，不讓他們做實驗室打雜的事兒。而且我們系是一個偏工科的系，他們要學的東西比較多，我自己大概寫了三四百頁的講義去給他們講課，總得讓學生熟悉一下這個學科，得有一個成長的過程，前兩年我自己拼下來就行。”兩年中王哲一力承擔了實驗室所有的工作，只為學生能夠更好地成長。

研討會上作報告

學科建設對于王哲來說同樣重要，這是他作為高校教師的另一項重要職責。為了準備好本科生和研究生的課程，王哲花費了半年多的時間，每天“朝九晚十”不辭辛苦。“中子散射原理和應用課程是新開設的，我愿意把它做好。而且系主任王學武老師也特別支持我，他一有空就會來聽課，對我的啟發特別大。”今年9月份，這門課程正式開講，將為我國培養中子散射人才、推廣中子散射在中國的發展獻一份力。

與此同時，忙碌的王哲在科研方面也從未松懈，目前他已申請了國家自然科學基金項目，擬結合小角中子散射技術和流變學方法，研究兩類代表性的復雜流體（高分子熔體、膠體分散體）的流動與形變。高分子熔體、膠體、凝膠等物質，由于其成分和性質較為復雜，常被稱為復雜流體。諾貝爾物理學獎得主、法國物理學家Pierre-Gilles de Gennes在他的諾貝爾獎演講中將這類物質稱為“軟物質”。這類物質廣泛存在于化工、食品、化妝品以及制藥等行業當中。它們的形變和流動特性在相關工業中扮演著舉足輕重的角色。因此，研究復雜流體的形變和流動性質具有豐富的技術發展實際價值，一直是軟物質物理的熱點問題。

未來，王哲將依托國際主流大型中子源、清華大學物理系正在建設的微型脈沖強子源和小角散射譜儀等裝置，與中國工程物理研究院綿陽研究堆（CMRR）的科研人員通力合作，并在大連理工大學馬紅衛老師、橡樹嶺國家實驗室陳威仁研究員等人的幫助下，開展相關研究。“中國中子科學研究的起步雖然晚一些，在我國還是一個新生事物，但國家很重視，目前它正處于朝陽期，未來會有更好的發展。”滿懷信心的王哲還將繼續前行在中子科學的研究道路上，不斷攀登新的高峰。