一

一滴水掉進一杯水，將發(fā)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,?！耙簯B(tài)水在室溫下可以不斷地變化、斷鍵成鍵,，從而形成各種動態(tài)的網(wǎng)絡結構,。”專注于凝聚態(tài)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(chuàng)刊125周年的特刊中,，將這個問題列入了125個最具挑戰(zhàn)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,?！痹诒本┐髮W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?！?/p>

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(shù),，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(huán)境有細微的差別和變化,，最后效果可能就被平均掉了?！?/p>

“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?！苯f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?！拔页Ｕf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(wǎng)絡結構是完全不一樣的?！?/p>

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(fā)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。

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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(xiàn)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(xié)同創(chuàng)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(wǎng)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(fā)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(xiàn)了單個水分子內部自由度的成像和水的氫鍵網(wǎng)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(wǎng)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(fā)表在《科學》,。

緊接著,，他將自主研發(fā)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(xiàn)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,?！八肿釉陔x子周圍可以有非常多的自由度來調整水的姿態(tài)，導致很多亞穩(wěn)態(tài),，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,?！?/p>

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(fā)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,。

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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(yè)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(yè)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。

大三這年,，畢業(yè)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(yè)課叫“量子力學”,。盡管當時的考試分數(shù)接近滿分，但他還是覺得自己學不懂,?！斑@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(xiàn)象,。學物理的都會告訴你，量子力學是最抽象的課,?！?/p>

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江穎在操作qPlus型掃描探針顯微鏡

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當從網(wǎng)絡上看到掃描隧道顯微鏡（STM）可以直觀形式呈現(xiàn)量子力學的一些現(xiàn)象時，已經保研的江穎感到非常不可思議,?！氨热绱蠹腋拍钪邢窳Ｗ右粯右活w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?！?/p>

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,?！苯f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(yè)前夕，江穎和同學到現(xiàn)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?！奔幢闶乾F(xiàn)在回憶,，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年回國后,，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(fā)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(shù)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(xiàn)了對氫核的定位,；直接觀察到水團簇內氫核的協(xié)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(chuàng)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。

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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?！皶艿接绊?，因為我們觀測對象極小、極弱,，觀測環(huán)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,?！?/p>

相比譜學對大氣環(huán)境下液態(tài)水的研究，探針技術運用的環(huán)境和體系明顯受限,。實驗發(fā)生在一個長約2米的真空,、液氦環(huán)境的封閉腔體，觀測標本是呈固態(tài)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吧,？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(xiàn)在我們傳感器的靈敏度應該比商業(yè)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,?！皣饫险f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(fā)研制設備的意識是博士后階段養(yǎng)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(fā)和研制,？首先肯定會節(jié)約開支,。”江穎指出了更重要的一點,，“因為用別人的商業(yè)化設備,，我們做不出獨特的東西來?！?/p>

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,?！案静桓蚁嘈牛陀X得是不是人為的假象,?！苯又锹L的驗證，直到標記到2018年結果發(fā)表在《自然》時,，曲線上升到了頂點,，“喜悅不斷上升，漸趨飽和,?！彼曇粢灿鋹偭似饋怼?/p>

“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大分子,，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,?！?/p>

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(fā)揮了重要作用的掃描探針顯微鏡技術是在上世紀80年代出現(xiàn)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(fā)了一套同時對電子量子態(tài)和原子核量子態(tài)敏感的新型掃描探針顯微術，突破了傳統(tǒng)技術只局限于探測電子量子態(tài)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(chuàng)造出波浪,，而不只是跟隨它?！?/p>

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江穎

1982年7月出生于四川樂山,。北京大學物理學院量子材料科學中心教授,，國家杰出青年科學基金獲得者,。2018年獲陳嘉庚青年科學獎數(shù)理科學獎。