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张尧:十万分之一发丝上的“光舞者”

李川
2018-09-17 21:03:13

2018年,中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心特任研究员张尧在第十一届中国青少年科技创新奖颁奖大会上发言。中国青年网记者 李川 摄

  单个分子是如何在纳米尺度上发光以及在光的作用下发生极化、激发、散射等各种不同光学响应的?简单而言,这就是中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心特任研究员张尧的日常研究工作。

  纳米尺度指的是一米的十亿分之一,相当于头发丝的十万分之一,在张尧看来,要在这样小的空间范围内研究单个分子的光学行为,并非易事,却也是一件很有意义的事情。

  “光与物质之间的相互作用影响着我们生活的方方面面,大到光合作用、太阳能发电、环境检测等,小到显示器、微波炉等,归根结底,都是靠光的作用来实现的。”张尧这样定义这项工作的现实意义。

2017年,张尧在西班牙巴塞罗那2017纳米光子学与微纳米光学国际会议上作报告。本人供图

  研究“无限可能性”的痴迷者

  张尧是85后。2014年,在获得中国科学技术大学理学博士学位后,张尧远赴西班牙材料物理中心从事博士后研究。3年后的2018年1月,张尧学成归国,回到中国科学技术大学从事研究工作。

  从专业而言,张尧的研究领域为单分子科学与纳米光子学的交叉领域,属于基础学科研究。

  张尧认为,基础研究虽看起来更“务虚”一点,研究的对象通常离实际生活很远,无法产生直接的实际价值,看起来好像更多是为了满足科学家的好奇心。但实际上,基础研究的魅力正是在于其“无限可能性”。一个新的科学概念、新的科学现象,往往就像一个新生的婴儿,看起来没有什么用,但却有发展为各种可能的潜力。

  张尧便是探索这科学“无限可能性”中的一位痴迷者。

  然而,探索科学奥秘的路往往并非一帆风顺,不仅需要扎实的知识储备和理论素养,也需要坚韧不拔的毅力和决心,更需要怀疑一切的思维和魄力。

  读博期间,张尧参与到“单分子拉曼光谱成像”课题组。在当时,国际公认的单分子拉曼光谱成像空间分辨率至少有几个纳米,甚至十几个纳米。而张尧所在课题组获得的单分子拉曼成像分辨率却可以达到亚纳米(0.5nm以下)量级,大大超出了当时的研究报道和理论预测。

  为了解开该现象背后的物理机制,查清楚高空间分辨率的来源,张尧和课题组其他研究成员熬夜处理数据,不断改进实验方案,对各种可能性逐一排查,通过理论结合实验的方式,最终确认了单分子的非线性光学过程可能是造成异乎寻常高空间分辨的主要原因。

  张尧事后说,当时最大的困难其实是来源于心理上的压力。“我们的研究结果要打破的是科学界对光学手段空间分辨率的共识,挑战已经被广泛接受了的纳米光学成像技术的极限,这样重磅的成果,如果没有确凿的实验证据和合适的理论依据,是很难有说服力的。”

  在讨论分析的过程中,团队成员甚至曾一度怀疑是因为仪器设备和测量手段的问题,导致得出的并不是真实的光学分辨率。

  “好在我们坚信了实验的客观事实和自己的判断,在摸索清楚单分子拉曼成像的规律以后,越来越多的可重复的单分子成像图样被我们一步步实现。”张尧感慨称,那种拨云见日的喜悦和成就感,无法替代。

  回首这些年,张尧总结自己坚持下来的因素,归结为两点:不盲信权威的魄力和持之以恒的毅力。

  科学探索是一个未知的过程。一个开创性的工作,往往意味着没有多少经验可供参考依循。

  “因为没有经验可循,我们在分析实验数据的时候其实是走了很多弯路,也做了很多无用功,很容易让人产生挫败感,但正是因为一直坚信‘天道酬勤’、‘功不唐捐’这两句话,相信付出的勤奋和努力都不会白费,这才有了最终的开拓性成果。”张尧坦言。

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来源:中国青年网
编辑:葛文琦

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