北大“男神”教授,无限可能正在开启!
他是第四届“科学探索奖”的获得者,基于一套自主研发的扫描探针显微术,首次“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进展,也获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”、“实验室大师兄”,是现学土木知识、亲自盖楼的青年科学家。面对学生时,最随和是他,最严厉也是他。他兴趣广泛,喜欢唱歌自娱自乐,热爱跑步风雪无阻。他的物理学世界,还有无限可能正在开启。
采写 | 郭雅颂、唐儒雅
杨心悦、练芷瑄
摄影 | 邓枭
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”列为本世纪最具挑战性的科学问题之一。今天,我们通过高分辨的显微技术首次看清了水里面的氢原子,精确解析了水的微观结构。可以说,我们看到了自然界的原子的极限。”
2022年9月15日,第四届“科学探索奖”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领域榜单。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,首次实现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,在原子尺度上揭示了核量子效应对体系结构和物性的决定性影响,刷新了人们对水和其他轻元素材料体系的认知。
从怀揣高中物理老师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究,江颖回忆起一路走来的种种选择,似乎一切都是冥冥之中自有安排。“并不是说一开始就对水多么感兴趣,而是一步一步,受到很多前辈的指引,自己在求学生涯中做了很多实验技术方面的储备,最后找到了一个切入点,就这样‘跳进’了水里。不过现在想想,自己和水还是蛮有缘的。我本身姓江,又在岷江边长大,我小时候经常下到江里游泳,从一个码头游到另一个码头,水性非常好。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候,我觉得水很有意思。这或许就是我和水的研究最深、最早的关联。”
“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,对于外界震动非常敏感。不得不说,当时建楼的艰苦设计为后来开展高分辨实验带来了许多正反馈。”
江颖在物理学院的天台远眺博雅塔
实验楼施工现场亲自和水泥的江颖(右一)
“为了把干扰降到最低,我们在施工阶段就做了非常细致的减震设计。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候都感到非常惊讶。我想,如果不是有机会参与建设一栋实验楼,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始的。”
03“搭乐高”的人“像我们这样倚重实验设备的研究方向,工具手段的创新非常重要。要有‘搭乐高’的精神,改进乃至制作别人没有的设备,把仪器的潜能发挥到极致,看别人看不见的东西。”
这段特别的经历被江颖比喻为“搭乐高”,它深刻地塑造了江颖后来的科研风格——动手做最好的设备,做别人做不到的事情。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),第一次看清了物体表面的原子结构,改变了人类对物质的研究范式和基础认知。但三十多年过去,清晰地看到氢原子、从而得到清晰的水分子的结构图像对于物理学家而言仍然是一个挑战。此外,由于技术受限和经验缺乏,我国的高端扫描探针显微镜多年来一直严重依赖进口。“我们做科研最主要的一个方面就是不断创新技术去突破传统实验手段的极限,改变高端科研设备受制于人的被动局面,助力国家高水平科技自立自强。”
通过“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连接一个氧原子的‘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。亮的地方是氧产生的负电场,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,竟然产生了高度一致的图象,不得不感叹大自然的精巧。”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。
“我培养学生有三个关键词,一是兴趣。科研其实很枯燥,没有兴趣很难坚持下去。二是‘绝活’。我希望他们在科研中学会一些终生受益的技能。三是‘爱找茬’。寻找真理本身就是一个千锤百炼的过程,所以我要做那个督促他们想方设法验证结果的人。”
家庭教育在潜移默化中塑造了江颖对待科研的态度,也影响着他与学生的相处。在指导和培养学生的过程中,江颖首先是一个开明随和的导师,他的实验室氛围轻松活泼。研究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”。经过一年的训练之后,江颖就会发现学生的一些闪光点,从而开始让他们尝试一些具体的研究方向。同时,他还注重帮助课题组的每个学生练就一门“绝活”,无论是具体的实验技术上的、理论方法上的“绝活”,还是单纯对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’可以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,一起滑雪、团建,欣然接受学生的邀请在毕业晚会上献唱......
江颖在指导学生制作扫描探头
05发现科研精神“我喜欢跑步,喜欢唱歌,偶尔也打打游戏,很多事在我看来不仅可以调节心情,也有和科研精神相同的地方。”
↓江颖在央视《回声嘹亮》节目↓
除了跑步外,江颖还喜欢唱歌,开车的时候唱,一个人在办公室的时候唱,偶尔他也会走进街边的KTV盒子唱一唱,他非常享受这种“唱给自己听”的松弛状态。他还曾登上央视《回声嘹亮》节目的舞台,和中国科协合唱团的老师们一起一展歌喉。“科研太忙了,所以唱歌对我来说只是非常私人的兴趣,让我能够有张有弛地工作生活。偶尔收到同学的邀请,我很愿意去迎新晚会、毕业晚会唱一唱。但像加入教职工合唱团参与定期排练,我可能就没更多时间了。”
06创造,而不是追随“人们常说科研有黄金期,事实上是对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出现到今天利用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广泛的领域和复杂的环境,甚至在仪器探测原理上做出‘从零到一’的突破。”在创造而不是追随的过程中,江颖始终践行着博士期间的那句组训:Do Something Different(做不一样的研究)。
人物介绍
江颖,北京大学物理学院量子材料科学中心博雅特聘教授,北京大学轻元素先进材料研究中心主任,国家杰出青年科学基金获得者,美国物理学会会士。
研究方向为表面物理和扫描探针显微学,长期致力于尖端扫描探针显微术的自主研发,以实现电子态、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材料方向的应用。
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”、中国科学十大进展(2次)、北京市杰出青年中关村奖、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言之有物、南方人物周刊
排版 | 责编:郭雅颂
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