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。

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

十月初的一个明媚晴天，江颖坐在书桌前不停忙碌着，耐心等候记者的到来。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秩序井然，就像江颖所专注的物理学世界，看似变化万千，实则自有其规律性，等待有志向、有恒心之人一一探明。

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。”

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。

↓点击观看江颖教授讲述《熟悉又陌生的水世界》↓事实上，江颖一开始并没有打算走上科研道路，看清水、研究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老师的想法。不过，大三那年一门叫做“教学技能课”的课程却改变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，别人也听不懂，所以我感觉自己可能不太适合做中学老师。加上我平时喜欢钻研问题，愿意花很多时间想通一个问题，所以我自己认为还是比较适合做科研。”2003年，江颖进入中科院物理研究所攻读博士学位，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究，学习世界顶尖的扫描隧道显微镜STM技术。“王老师一直是我学术道路上的灯塔，他做了很多年的冰和水的理论模拟，对我的启发很大。我了解到水这种司空见惯的物质，它的结构远比我们想象中复杂，而且水的结构对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发展休戚相关的实际问题密切相关。”不过很长一段时间里，水的理论模拟研究明显都超前于实验，且实验很难与理论进行直接有效的交流。所以博士阶段的江颖没有把“水”作为自己的研究方向。2010年回国后，在一次国际会议上受到与会报告人的启发，江颖意识到水的实验研究进展仍然很缓慢，根本原因在于缺乏对氢敏感的原子尺度表征手段，而氢原子恰恰是水的结构解析的关键。已经在探针显微镜成像领域探索多年的他立即有了一个想法：发展一些能够直接看到氢原子的新技术来解决这个瓶颈问题。“博士后阶段我在美国学到了一些单分子和单原子的探测手段，王恩哥老师在水的理论研究领域又非常有造诣，所以我就想着能否针对水分子发展一些新技术，并和王老师的理论研究结合，一起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起合作，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。”

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，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

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，甚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究回国参加应聘，成为了量子中心第一位做实验的教师。“刚回国的时候，我们中心没有办公楼，没有实验室，在学校里也找不到符合我们要求的实验室。只有自己建楼。”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，江颖一边挤时间开展自己的研究，一边现学基建知识，和做土木的人、做设计的人一起讨论实验楼该怎么建。“说实话，当时真有点‘不务正业’的感觉。整天和施工方打交道，一周给他们开一次会，表达我们的需求。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。”

实验楼施工现场亲自和水泥的江颖（右一）

量子中心实验楼-物理学院东楼对基建知识一窍不通还不是最困难的事。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有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清晰可感。“当时很多人劝我说，你就别想了，在这儿建的实验室根本用不了。”回忆起这段往事，江颖颇为感慨。

“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。”

江颖在美国博后期间加工零件使用的铣床（左）、加工的部分零件（右）在江颖的学术人生中，像打地基建楼房这样的困难还有很多。在美国做博士后研究时，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究单位，他们做科研最大的特色就是从不购买成型的商业化设备，而是自制实验设备，开展创新性研究。刚到美国，江颖非常兴奋，觉得可以学到真本事了。谁知道导师给江颖的第一个任务竟然是“做技工”——自己画图设计并亲手加工制作一台射频扫描隧道显微镜，用于捕捉一些微弱的高频电流信号。于是连续三个月，江颖像一个车间技工那样：每天上午利用SolidWorks作出三维工程图，中午到车间根据工程图自己加工制作零件，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，也非常迷茫。后来有一天，他忽然意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能保证每个细节都在自己的掌握之中，才能将仪器的整体性能发挥到极致。想明白这个问题，江颖的心态不禁轻松了许多，也加快了制作进度。他甚至安慰自己，“如果以后没有研究所可去，我至少还可以去做‘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。”

自行设计制作的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提高了扫描探针显微镜的成像分辨率和灵敏度，尤其是研发出具有自主知识产权的显微镜核心部件——qPlus原子力传感器，通过探测极其微弱的高阶静电力，提升了探针对氢原子敏感度，实现了在微观层面把水的结构“看”清楚的目的。“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候，就会得到吸引力和排斥力，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材料实际并不复杂，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有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，尚无法自动化生产，所以只能由人工在光学显微镜下进行操作。“这对大家的动手能力要求很高。在显微镜下制作音叉时，实验者的手要和机器臂达到差不多的稳定性。”就像博士后导师当年要求江颖自己设计加工设备那样，这种以工匠精神“搭乐高”的科研传统被江颖继承。在他的实验室，亲手打磨一个合标准的音叉是每位学生的必修课。自制的石英音叉力传感器具有极高的品质因子和灵敏度，可以测到大约一万亿分之一牛顿的力，达到了国际领先水平。

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。

04最随和，最严格

“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。”

江颖（右二）与学生在一起滑雪在江颖的成长过程中，父母给了他风格迥异的教育与陪伴方式。“我母亲是中学老师，她对我的要求很严格，培养了我认真的学习态度和严谨的思维方式。我父亲培养了我多种兴趣爱好，他还喜欢在家修复各种家用电器，这对我的动手能力和探索能力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（右一）与学生在一起不过，当江颖参与到学生的科研过程中时，他就不再那么随和可爱了，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，非常高兴的时候，我一般会想方设法提出质疑，这时学生的挫败感是比较强的。但我会进一步鼓励他们想尽办法验证自己的结论，直到结论禁得起所有的验证后，我才会和大家一起兴奋地庆祝。这就是科研——一定要经受得住千锤百炼才会是真的。只要它是真的，不管怎么打击，最后一定会越辩越明。”这种反复“泼冷水”的过程，无疑也会提高学生的思辨能力，令他们养成严谨的学术风格，“这样就不会有学术不端或者是学术造假发生。投文章时，遇到审稿人提出的问题也就知道怎么回答了。”

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↓

日常生活中，江颖有很多爱好，跑步、唱歌、乒乓、轮滑、骑行、打游戏......多样的爱好既是他忙碌生活的调剂，也为他专注科研、克服困难提供了许多帮助与启发。从2019年开始，跑步成为了江颖一个风雪无阻的习惯。“跑步是我生活中非常重要的一部分。五四广场、未名湖畔、马路、公园、海边、山路、甚至雪地里都有我的踪影。”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，可能风景没有远方好，但当你专注脚下时，你会发现路况和风景实际也在不断变化中，这给我带来很大的新鲜感。搞科研或者所谓的科研精神也是同理，时不时看看远方，知道自己的目标在哪是必要的，但从基础开始，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枯燥，但在江颖的眼中，跑步需要的坚持、韧性，长时间付出后获得正反馈的体验与科研非常相似。“当你快跑到自己的极限的时候，只要再稍微坚持一下，就会体会到非常大的满足感，身体里多巴胺的分泌会让你无比快乐。搞科研、做实验也是这样，不断重复，不断钻研，保持思维的活跃性，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
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”，它完美诠释了江颖的研究旨趣和研究方法：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；通过小如纳米和原子尺度的研究，江颖理解和解释了宏观物质的性质和宏观现象发生的内在机制。最柔软的水里，还藏着令江颖无限神往的奥秘，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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