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江颖:在水世界里解开《科学》的世纪难题

2019-07-08 14:52:04

  在日常生活中,水实在是再普通不过的物质了。但熟悉的东西,人们却未必真正地了解。

  “水的结构如何”,曾被《科学》杂志列为本世纪125个最具挑战性的科学问题之一。

  在10年前的一次学术报告会上,来自英国的一位水科学领域资深教授的报告内容,给北京大学物理学院量子材料科学中心教授江颖留下了深刻的印象。长期以来,关于水结构的理论研究有很多,但从实验层面来看,鲜有能和理论研究进行直接对比验证的结果。

  “会后交流时,我问为什么实验跟不上理论的发展,那位教授回答说,水科学研究的实验难度太大了。当时,我就想,我们应该在实验领域做一点事情。”江颖回忆道。

  选择迎难而上的江颖,和他所在的团队一道,逐步逼近水的“真相”。首次拍摄到水分子内部结构、首次看到水合钠离子的原子级“真面目”……他们的研究发现,不断地刷新人们对于水的认知。

  近日,由于其突出的科研表现,江颖荣获第十五届中国青年科技奖。

  让“隐形”的氢原子显形

  初中化学课上,老师们讲过,水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。听上去,水的分子结构似乎很简单。可要在显微镜下真正看到水分子的结构,并非易事。

  “在化学元素周期表上排第一的氢,它的质量和尺寸都非常的小,就像是一个‘隐形’的原子一样,想在显微镜下捕捉到它并为其成像非常困难。”江颖说道。

  在美国做博士后研究时,扫描探针显微术是江颖主要的研究手段之一。通过探测电流,扫描探针显微镜能够对物质表面的形貌进行表征,分辨率可达到原子级别。

  通常,光学显微镜的分辨率能达到几百纳米的量级,而扫描探针显微镜的分辨率能小于一个纳米。在分辨率上,后者比前者要高3个量级。借助扫描探针显微技术,能否让氢原子显形?

  说干就干。江颖和团队成员2010年开始着手设计实验。在液态情况下,水的流动性非常强。想要对单个水分子成像,需要让它能稳定地待在某种物质的表面上,也就是说,要找到合适的衬底。

  过去,科学家一般采用金属作为衬底,把水直接放在金属表面上进行观察。采用这种方法,拍摄到的水分子照片,最多只能拍出其模糊的外形——一个没有任何内部结构的圆形凸起。

  为了拍到水分子的“高清图”,江颖团队另辟蹊径,在金属和水分子中间插入了一层绝缘的氯化钠薄膜。

  氯化钠可以牢牢地“抓”住单个水分子,同时减弱了水分子与金属衬底之间的耦合,从而帮助科学家观测并拍摄到水分子吸附在氯化钠表面上的形貌和水分子的具体结构。

  功夫不负有心人。2013年,江颖团队在实验室里首次观测并拍摄到了单个水分子的内部结构,看到了氢原子和氧原子在水分子里是如何排列的。

  “当时大家都非常兴奋。在拍到单个水分子的同时,我们还拍到了由4个水分子组成的水团簇。”江颖回忆道,他们发现水分子之间通过氢键连接的时候,存在着一定的方向性,对水分子之间网络结构的形成有了更多的了解。

  在氯化钠的表面,水分子以什么样的形态存在,是“躺”着还是“站立”着?对此,学界存在争议,有理论模拟认为,水分子是“躺”在氯化钠表面的。而江颖团队的观测结果表明,水分子是“站立”在氯化钠表面上的。

  这一“实锤”发现,对理论界也形成了不小的冲击。

  “看到”水合离子的原子级图像

  相信很多人都有过自制盐水的经历。舀一勺盐,倒进一杯水里搅一搅,就能很容易地得到一杯盐水。

  可是,从微观层面来看,水分子和盐离子之间到底是如何相互作用的?这一直是科学家们迫切想解开的谜团。

  早在19世纪末,科学家就开始了对离子水合过程的研究,但至今其中的许多问题尚无定论。在江颖看来,究其原因,关键在于缺乏直接观测的实验手段,以及精准可靠的计算模拟方法。

  在看清单个水分子的“本质”以后,江颖将研究视野扩展到了离子水合物。要研究离子水合物的微观结构和动力学行为,首先面临的挑战是制备单个离子水合物。

  虽然得到一杯盐水很容易,可是要在一杯盐水里挑出单个的离子水合物却非常困难。离子水合物相互聚集、相互影响,水合结构也在不断变化,不利于高分辨成像。

  “对此,我们经过不断的尝试和摸索,基于扫描隧道显微镜发展了一套独特的离子操控技术。”江颖介绍道,将非常尖锐的金属针尖用做原子、分子世界的“机械手”,能够可控地制备单个离子水合物。

  制备出的单个离子水合物团簇后,接下来需要通过高分辨成像弄清楚其几何吸附构型。相比水分子团簇而言,离子水合物更加脆弱。对此,江颖团队研发了一种非侵扰式原子力显微镜成像技术,在2018年得到了钠离子水合物的原子层次图像。

  水合离子的概念提出一百多年来,科学家终于首次直接“看到”水合离子的原子级图像。

  把科研种子撒进学生心田

  在水科学实验领域接连取得的进展,使得江颖赢得了许多来自学术界的肯定。几乎拿奖到手软的他,非常看重的一份荣誉,却是北京大学2018年教学优秀奖。他把这份获奖证书摆在了柜子的最高一层。

  “日常工作中,科研是我的主业,教学是副业。但我还是非常看重这个奖项,很享受教书育人的过程。尤其是,帮助一些能力相对不那么突出的孩子,让他们在学业上有提升,这让我更有成就感。”江颖说道。

  为了给本科生和研究生讲好《表面物理》这门课程,江颖会花很多心思去设计授课的内容和形式。在讲授知识的同时,江颖也藏有一些“私心”。他希望,通过上这门课,激发同学们从事科研,尤其是基础科研的兴趣。

  令江颖感到有些遗憾的是,出于一些现实原因的考虑,物理专业有一些非常聪明的学生,毕业后没有从事相关科研工作,而是转行到金融或其他领域。

  “只有发自内心的热爱,才能支撑他们在科研道路上走得更远。如果能通过一门结合基础科学理论和前沿科学进展的课程,较早地激发他们潜在的科研兴趣,是我讲好这门课程的最大动力。”江颖坦言。

  尽管一个学期的课程终究会结束,但师生间的良好互动却可以一直持续。课程结束后,还会不断有学生写信给江颖,讨论在科研中碰到的一些问题。阅读学生来信时,江颖倍感欣慰与满足。

  对未知世界的强烈好奇,推动着江颖在科研领域不断探索新知。同时,他也想把好奇的种子更多地播撒在学生们的心田。

  人物档案

  江颖,籍贯四川省乐山市,北京大学物理学院博雅特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者,国家“万人计划”科技创新领军人才,主要从事凝聚态物理和物理化学研究工作,曾荣获陈嘉庚青年科学奖、中国青年科技奖、中国科学十大进展等奖项。(本报记者 唐 婷)

来源:科技日报
编辑:姚怡梦

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