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全文共6918字，阅读约需23分钟 关键词：燕园师韵 他是第四届“科学探求奖”的取得者，基于一套自主研发的扫描探针显微术，初次“看清了”自然界最小的原子，相关成果两次入选中国科学十大停顿，也取得了美国物理学会会士、日本仁科芳雄亚洲奖、全球华人物理与天文学会亚洲成就奖等多个重要国际奖项或荣誉。 他也是自己画图做设备的“乐高工人”、“实验室巨匠兄”，是现学土木学问、亲身盖楼的青年科学家。面对学生时，最随和是他，最严厉也是他。他兴味普遍，喜欢唱歌自娱自乐，酷爱跑步风雪无阻。他的物理学世界，还有无限可能正在开启。 在水里，看见极限 采写| 郭雅颂、唐儒雅 杨心悦、练芷瑄 摄影| 邓枭 十月初的一个明丽晴天，江颖坐在书桌前不停忙碌着，耐烦等候记者的到来。秋日的阳光透过橙色百叶窗帘的缝隙，在整洁的桌面留下一道道规则的线条。光影交错间，这一方小小的办公室显得次序井然，就像江颖所专注的物理学世界，看似变更万千，实则自有其规律性，等候有志向、有恒心之人逐一探明。
01 “跳进”水里 Soft in nature，but hard in science。“水是一种柔软的物质，但却是一块难啃的科研硬骨头。美国《科学》杂志曾将“水的结构是什么”列为本世纪最具应战性的科学问题之一。今天，我们经过高分辨的显微技术初次看清了水里面的氢原子，精确解析了水的微观结构。能够说，我们看到了自然界的原子的极限。”
江颖在世界顶尖科学家论坛上发言 2022年9月15日，第四届“科学探求奖”获奖名单正式揭晓，50位青年科学家榜上有名。其中，北京大学物理学院江颖教授荣登数学物理学范畴榜单。江颖课题组自主研发出一套基于高阶静电力的新型扫描探针显微术，初次完成了水分子中氢原子的直接成像和定位，并以水和冰的各种复杂凝聚相为模型体系，在原子尺度上提示了核量子效应对体系结构和物性的决议性影响，刷新了人们对水和其他轻元素资料体系的认知。 ↓点击观看江颖教授讲述《熟习又陌生的水世界》↓ 事实上，江颖一开端并没有打算走上科研道路，看清水、研讨水更不在他的计划内。从四川乐山到北京师范大学读书时，江颖本抱着毕业后回老家当一名高中物理教员的想法。不外，大三那年一门叫做“教学技艺课”的课程却改动了他最终的职业选择。“这门课我勉强及格。当时我讲课很腼腆，他人也听不懂，所以我觉得自己可能不太合适做中学教员。加上我平常喜欢研讨问题，愿意花很多时间想通一个问题，所以我自己以为还是比较合适做科研。” 2003年，江颖进入中科院物理研讨所攻读博士学位，师从王恩哥院士。2008年，江颖前往美国加州大学欧文分校Wilson Ho（何文程）院士课题组从事博士后研讨，学习世界顶尖的扫描隧道显微镜STM技术。“王教员不时是我学术道路上的灯塔，他做了很多年的冰和水的理论模仿，对我的启示很大。我了解到水这种视而不见的物质，它的结构远比我们想象中复杂，而且水的结构关于水和生命体的关系，水的净化和海水淡化，水解制氢，防结冰等与人类生存和展开休戚相关的实践问题密切相关。”不外很长一段时间里，水的理论模仿研讨明显都超前于实验，且实验很难与理论中止直接有效的交流。所以博士阶段的江颖没有把“水”作为自己的研讨方向。 2010年回国后，在一次国际会议上遭到与会讲演人的启示，江颖认识到水的实验研讨停顿依旧很迟缓，基本缘由在于缺乏对氢敏感的原子尺度表征伎俩，而氢原子恰恰是水的结构解析的关键。曾经在探针显微镜成像范畴探求多年的他立刻有了一个想法：展开一些能够直接看到氢原子的新技术来处置这个瓶颈问题。“博士后阶段我在美国学到了一些单分子和单原子的探测伎俩，王恩哥教员在水的理论研讨范畴又十分有造诣，所以我就想着能否针对水分子展开一些新技术，并和王教员的理论研讨分离，一同去啃一啃这块科研硬骨头。”接下来，王恩哥、江颖与同事和学生们一同协作，在原子尺度上揭开了一系列有关水的未解之谜。
从怀揣高中物理教员的理想到走上科研道路，从单原子/分子探测到聚焦水的结构研讨，江颖回想起一路走来的种种选择，似乎一切都是冥冥之中自有布置。“并不是说一开端就对水多么感兴味，而是一步一步，遭到很多前辈的指引，自己在求学生活中做了很多实验技术方面的贮藏，最后找到了一个切入点，就这样‘跳进’了水里。不外往常想想，自己和水还是蛮有缘的。我自身姓江，又在岷江边长大，我小时分经常下到江里游泳，从一个码头游到另一个码头，水性十分好。水里的漩涡、暗流，很多人都怕，但是我不怕。在旋涡里上上下下的时分，我觉得水很有意义。这或许就是我和水的研讨最深、最早的关联。” 02 离地铁站最近的实验室 “据我所知，世界上还没有哪个高分辨扫描探针实验室是建在地铁站旁边的。我们观测的对象极小、信号极弱，关于外界震动十分敏感。不得不说，当时建楼的艰苦设计为后来展开高分辨实验带来了许多正反响。”
江颖在物理学院的天台远眺博雅塔
傍晚时分的博雅塔与远处的颐和园万寿山佛香阁 图/胡晓东 北京大学物理学院位于北大燕园校区的东边，隔着一条宽宽的马路，从这里眺望博雅塔，视野好极了。天气晴朗时，以至能看见远处的万寿山。江颖的办公室就在物理学院西楼，偶尔他也会走上天台，远眺群山。 2010年，北京大学创建了量子中心。那一年，江颖完成了博士后研讨回国参与招聘，成为了量子中心第一位做实验的教员。“刚回国的时分，我们中心没有办公楼，没有实验室，在学校里也找不到契合我们请求的实验室。只需自己建楼。”从2010年1月回国到2012年寒假量子中心的实验楼竣工，接近两年的时间里，江颖一边挤时间展开自己的研讨，一边现学基建学问，和做土木的人、做设计的人一同讨论实验楼该怎样建。“说实话，当时真有点‘游手好闲’的觉得。整天和施工方打交道，一周给他们开一次会，表白我们的需求。他们关注的东西和我们做科研的人不在一个点上，我们要的东西他们没做过，所以费了很大的劲和他们沟通。”
实验楼施工现场亲身和水泥的江颖（右一）
量子中心实验楼-物理学院东楼 对基建学问一窍不通还不是最艰难的事。更大的考验在于如何让实验室少受干扰？要知道，量子中心做的大部分实验例如扫描探针显微镜成像，针尖和样品之间的距离不到一个纳米，对震动何其敏感。而物理学院紧邻北京地铁4号线和中关村北大街，从施工点到北京大学东门地铁站的直线距离只需100多米。站在物理学院的楼前，依稀能听见主干道上的车流声，地铁从脚下疾驰而过的震动也明晰可感。“当时很多人劝我说，你就别想了，在这儿建的实验室基本用不了。”回想起这段往事，江颖颇为慨叹。 “为了把干扰降到最低，我们在施工阶段就做了十分细致的减震设计。在成像设备工作的区域，我们挖了很深的坑，做了复杂的钢架结构和钢筋水泥块，还做了减震的空气弹簧等等，相当于把显微镜放在了一个独立的地基上。最后实验的成像效果很好，很多专家学者过来参观的时分都感到十分诧异。我想，假如不是有机遇参与树立一栋实验楼，我们不可能把减震效果做到极致。我们的科研真的是从零开端的。” 03 “搭乐高”的人 “像我们这样倚重实验设备的研讨方向，工具伎俩的创新十分重要。要有‘搭乐高’的肉体，改进乃至制造他人没有的设备，把仪器的潜能发挥到极致，看他人看不见的东西。”
江颖在美国博后期间加工零件运用的铣床（上）、加工的部分零件（下） 在江颖的学术人生中，像打地基建楼房这样的艰难还有很多。在美国做博士后研讨时，他所在的Wilson Ho院士课题组是国际顶尖的扫描探针显微镜研讨单位，他们做科研最大的特征就是从不置办成型的商业化设备，而是自制实验设备，展开创新性研讨。刚到美国，江颖十分兴奋，觉得能够学到真身手了。谁知道导师给江颖的第一个任务居然是“做技工”——自己画图设计并亲手加工制造一台射频扫描隧道显微镜，用于捕获一些微小的高频电流信号。 于是连续三个月，江颖像一个车间技工那样：每天上午应用SolidWorks作出三维工程图，中午到车间依据工程图自己加工制造零件，晚上再将零件带回实验室组装试错。看着身边的同事都在做实验、发文章，自己却只能在工厂干活，江颖感到了极大的落差，也十分迷茫。后来有一天，他忽然认识到研发仪器并非一件简单的小事，最先进的科研设备也是一个一个小零件组装出来的，自己设计加工零件才干保障每个细节都在自己的控制之中，才干将仪器的整体性能发挥到极致。想明白这个问题，江颖的心态不由轻松了许多，也加快了制造进度。他以至安慰自己，“假如以后没有研讨所可去，我至少还能够去做‘技工’啊。我把打磨零件的技术精进到极致，也能在行业里拔尖。” 这段特别的阅历被江颖比方为“搭乐高”，它深化地塑造了江颖后来的科研作风——入手做最好的设备，做他人做不到的事情。1981年，两位瑞士科学家Bining和Rohrer发明了扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy, STM），第一次看清了物体名义的原子结构，改动了人类对物质的研讨范式和基础认知。但三十多年过去，明晰地看到氢原子、从而得到明晰的水分子的结构图像关于物理学家而言依旧是一个应战。此外，由于技术受限和阅历缺乏，我国的高端扫描探针显微镜多年来不时严重依赖进口。“我们做科研最主要的一个方面就是不时创新技术去突破传统实验伎俩的极限，改动高端科研设备受制于人的被动局面，助力国度高水平科技自立自强。”
自行设计制造的qPlus型原子力传感器
自行研制的高分辨扫描探针显微镜国产化样机 回国后，江颖与同事们做的最重要的一个工作就是大幅进步了扫描探针显微镜的成像分辨率和灵活度，特别是研发出具有自主学问产权的显微镜中心部件——qPlus原子力传感器，经过探测极端微小的高阶静电力，提升了探针对氢原子敏感度，完成了在微观层面把水的结构“看”分明的目的。“水分子的氢和氧不是中性的，氧带负电，氢是带正电。我们用一个带电的针尖去扫描水分子的时分，就会得到吸收力和排斥力，这样我们的传感器就能分辨氢和氧，从而提供一种探测氢原子的可能性。” 这种特殊的原子力传感器用的资料实践并不复杂，就是石英手表里用来计时的单元，叫音叉。音叉传感器最小的部件只需20微米左右，大约是人类头发丝直径的三分之一。由于工序复杂，尚无法自动化消费，所以只能由人工在光学显微镜下中止操作。“这对大家的入手才干请求很高。在显微镜下制造音叉时，实验者的手要和机器臂抵达差未几的稳定性。”就像博士后导师当年请求江颖自己设计加工设备那样，这种以工匠肉体“搭乐高”的科研传统被江颖继承。在他的实验室，亲手打磨一个合规范的音叉是每位学生的必修课。自制的石英音叉力传感用具有极高的质量因子和灵活度，能够测到大约一万亿分之一牛顿的力，抵达了国际抢先水平。 经过“换心”后的扫描探针显微镜，江颖和他的学生第一次看清了水的结构。“很多课本上画的水分子都是两个氢原子衔接一个氧原子的‘V’形结构。我们很意外地发现，在显微镜下看到的水分子和这个‘V’形结构相差甚远。亮的中央是氧产生的负电场，暗环是氢产生的正电场（如下图），乍眼一看很像黑洞。水分子和黑洞这两种空间尺度相差二十个数量级的物体，居然产生了高度分歧的图象，不得不慨叹大自然的精巧。”除了单个水分子，这种技术也适用于水团簇、水/冰层、水合离子等多种体系。
04 最随和，最严厉 “我培育学生有三个关键词，一是兴味。科研其实很单调，没有兴味很难坚持下去。二是‘绝活’。我希望他们在科研中学会一些终生受益的技艺。三是‘爱找茬’。寻觅谬误自身就是一个千锤百炼的过程，所以我要做那个敦促他们想方设法考证结果的人。”
江颖（右二）与学生在一同滑雪 在江颖的长大过程中，父母给了他作风悬殊的教育与陪伴方式。“我母亲是中学教员，她对我的请求很严厉，培育了我认真的学习态度和严谨的思想方式。我父亲培育了我多种兴味喜好，他还洗砦筅家修复各种家用电器，这对我的入手才干和探求才干起到了至关重要的作用。” 家庭教育在潜移默化中塑造了江颖看待科研的态度，也影响着他与学生的相处。在指导和培育学生的过程中，江颖首先是一个开通随和的导师，他的实验室氛围轻松生动。研讨生进组的第一年没有固定的方向，主要是在实验室“闲逛”，跟着高年级的学生“打下手”。经过一年的锻炼之后，江颖就会发现学生的一些闪光点，从而开端让他们尝试一些细致的研讨方向。同时，他还注重辅佐课题组的每个学生练就一门“绝活”，无论是细致的实验技术上的、理论措施上的“绝活”，还是单纯关于科学问题的敏感度、科研的直觉和联想以及坚韧的性格等等。“我希望这些‘绝活’能够成为他们行走天下的敲门砖和通行证。”科研之外，江颖喜欢和学生打成一片，一同滑雪、团建，欣然接受学生的约请在毕业晚会上献唱......
江颖（右一）与学生在一同 不外，当江颖参与到学生的科研过程中时，他就不再那么随和心爱了，而是化身最严苛、最爱“找茬”的审稿人。“学生得到一个很漂亮的实验结果或者提出一些解释和想法，十分快乐的时分，我普通会想方设法提出质疑，这时学生的挫败感是比较强的。但我会进一步鼓舞他们想尽措施考证自己的结论，直到结论禁得起一切的考证后，我才会和大家一同兴奋地庆祝。这就是科研——一定要禁受得住千锤百炼才会是真的。只需它是真的，不论怎样打击，最后一定会越辩越明。”这种重复“泼冷水”的过程，无疑也会进步学生的思辨才干，令他们养成严谨的学术作风，“这样就不会有学术不端或者是学术造假发作。投文章时，遇到审稿人提出的问题也就知道怎样回答了。”
江颖在指导学生制造扫描探头 05 发现科研肉体 “我喜欢跑步，喜欢唱歌，偶尔也打打游戏，很多事在我看来不只能够调理心情，也有和科研肉体相同的中央。” ↓江颖在央视《回声响亮》节目↓ 日常生活中，江颖有很多喜好，跑步、唱歌、乒乓、轮滑、骑行、打游戏......多样的喜好既是他忙碌生活的调剂，也为他专注科研、抑止艰难提供了许多辅佐与启示。 从2019年开端，跑步成为了江颖一个风雪无阻的习气。“跑步是我生活中十分重要的一部分。五四广场、未名湖畔、马路、公园、海边、山路、以至雪地里都有我的踪迹。”和许多人跑步时喜欢看前方不同，江颖跑步时喜欢看脚下。他说：“脚下这十几米的距离，可能景色没有远方好，但当你专注脚下时，你会发现路况和景色实践也在不时变更中，这给我带来很大的新颖感。搞科研或者所谓的科研肉体也是同理，时不时看看远方，知道自己的目的在哪是必要的，但从基础开端，把脚下的每一步走实、落实也很重要。” 或许在有些人看来，跑步这样两脚交替的重复运动难免单调，但在江颖的眼中，跑步需求的坚持、韧性，长时间付出后取得正反响的体验与科研十分相似。“当你快跑到自己的极限的时分，只需再稍微坚持一下，就会体会到十分大的满足感，身体里多巴胺的分泌会让你无比高兴。搞科研、做实验也是这样，不时重复，不时研讨，坚持思想的生动性，过了某个时间点，或许就能柳暗花明体悟出新东西了。” 除了跑步外，江颖还喜欢唱歌，开车的时分唱，一个人在办公室的时分唱，偶尔他也会走进街边的KTV盒子唱一唱，他十分享用这种“唱给自己听”的松弛状态。他还曾登上央视《回声响亮》节目的舞台，和中国科协合唱团的教员们一同一展歌喉。“科研太忙了，所以唱歌对我来说只是十分私人的兴味，让我能够有张有弛地工作生活。偶尔收到同窗的约请，我很愿意去迎新晚会、毕业晚会唱一唱。但像参与教职工合唱团参与定期排演，我可能就没更多时间了。” 06 发明，而不是跟随 江颖课题组的网站主页 江颖课题组的网站主页有这样一句话——“Image the big from the small”，它圆满诠氏缢江颖的研讨旨趣和研讨措施：以小见大、见微知著。正是从小如水分子的微观物质中，江颖找到了大道理；经过小如纳米和原子尺度的研讨，江颖了解和解释了宏观物质的性质和宏观现象发作的内在机制。最柔软的水里，还藏着令江颖无限神往的奇妙，他的物理学世界刚刚展开。 “人们常说科研有黄金期，事实上是关于像我这样偏重实验技术的科研工作者而言，仪器设备也有黄金期。从上世纪80年代扫描探针显微镜技术呈现到今天应用qPlus力传感器终于看清水分子的结构，我特别希望自己能将扫描探针技术的应用推向更普遍的范畴和复杂的环境，以至在仪器探测原理上做出‘从零到一’的突破。”在发明而不是跟随的过程中，江颖一直践行着博士期间的那句组训：Do Something Different（做不一样的研讨）。 人物引见 江颖，北京大学物理学院量子资料科学中心博雅特聘教授，北京大学轻元素先进资料研讨中心主任，国度出色青年科学基金取得者，美国物理学会会士。 研讨方向为名义物理和扫描探针显微学，长期努力于尖端扫描探针显微术的自主研发，以完成电子态、核量子态、振动态、光子态、自旋态等单量子态的极限探测和操控，及其在单分子和低维资料方向的应用。 曾获全球华人物理与天文学会“亚洲成就奖”、日本“仁科芳雄亚洲奖”、中国科学十大停顿（2次）、北京市出色青年中关村奖、陈嘉庚青年科学奖、中国青年科技奖等奖项或荣誉。发表文章Science3篇、Nature5篇、Nature子刊10余篇。担任Research、Journal of Chemical Physics、Chemical Physics、Advanced Quantum Technologies等国际期刊杂志编委。 来源 | “北京大学”公众号，北京大学融媒体中心 采访 | 郭雅颂、唐儒雅、杨心悦 文字 | 郭雅颂、唐儒雅、杨心悦、练芷瑄 人物摄影 | 邓枭 图片 | 胡晓东 参考资料 | 公众号格致论道、北大物理人、未来科学论坛、PKU言之无物、南方人物周刊 排版、责编 | 郭雅颂 审校 | 马晓燕 燕园师韵 燕园师韵 | 汪锋：言语学是一把钥匙 燕园师韵 燕园师韵 | 刘鸿雁：草木中的广袤世界 学科长廊 北大学科长廊 | 物理学院：物格无止境，理运有常时 |
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