你真的“看清”过玻璃吗？杨尧带着他的“透视实验室”来了丨Lab Show
我们该如何认识和理解自己所处的世界？
生活中目之所及的物质都是由什么构成的？
它们的内部究竟如何相互作用，才能构成如此美妙绝伦的宇宙万物？
年少时，我们总是对很多事物充满了好奇。
当看到高中课本中的原子模型时，那由一个“球”又一个“球”组成的结构，让杨尧觉得非常有意思。
那时候，他便想：如果有一天，真的能够看到物质内部的结构，会是多么酷的一件事儿！
杨尧的个人主页上写着一句话：“进学致知，探微镜理。”
本科阶段，杨尧开始在清华大学进行二维材料相关的研究。博士和博士后阶段，在加州大学洛杉矶分校（UCLA），他的科研逐渐聚焦——从微观尺度理解和认识各类材料真实的结构。
今年，1993年出生的杨尧全职加入西湖大学工学院，开展电子显微学方面的研究工作。而他，也将继续一场关于“真相”的发现之旅。
PART.01
揭开非晶材料的神秘面纱
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“在固态理论未解决的问题中，最深刻、最有趣的问题，可能就是玻璃的本质和玻璃化转变的问题。”
——诺贝尔物理学奖获得者P. W. Anderson
理解物质的结构，是认识世间万物的基础；而想要探究材料的微观机理，我们还必须认清这个材料的“真面目”。
玻璃，这个我们在生活中早已习以为常的材料，从几千年前被发现至今，却从未真正被了解过。
电子显微镜技术的发展，使得人们确定晶体材料原子层面的结构成为了可能；然而，在面对以玻璃为代表的非晶态物质时，普通的显微镜仍然显得有些“束手无策”。
1959年，在题为《底下的空间还大得很》的一个演讲中，著名物理学家费曼曾经说：“分析任何复杂物质可以是非常简单的，只要看它上面原子在那儿。”如果人们能够了解某种材料的结构，就可以判断出它的各种性质。然而，“不幸的是，那时候的显微镜看得太粗糙了”。
1960年，金属玻璃被发明。这位玻璃家族的新成员，是一种由原子堆积而成的非晶材料。在六十几年的时间里，科学家们一直试图通过探究金属玻璃体系，来揭开非晶态物质的“神秘面纱”。
像我们去医院做CT或核磁共振一样，给玻璃“拍个片子”可不可以？
然而，与晶态物质结构不同，非晶材料的原子排列是无序的，人们无法通过晶体学手段直接测定其中原子的确切位置，只能通过一维或二维图像去猜测玻璃的结构。
有没有一种方法，无需任何晶体学的假设，就能够看到非晶材料的三维原子结构呢？
跨越几十年的时间，在对非晶态物质本质的探索这场漫长的“马拉松”中，杨尧和他的团队终于突破了这一大瓶颈。
“现在，我们可以看到非晶材料原子层面的物质了。”
2021年，杨尧他们所开发的三维原子重构技术（原子分辨电子断层扫描技术，AET），让六十几年前人们未能实现的那个愿望成为了现实。
图1 金属属玻璃纳米粒颗粒的三维原子结构
使用高分辨率层析成像技术和特定的三维重构算法，杨尧他们成功地通过实验确定了金属玻璃中18000多个原子的精确位置，其3D精度高达21万亿分之一米。相关成果，也以 “Determining the three-dimensional atomic structure of an amorphous solid”为题，发表在《Nature》上。
玻璃的每个立方纳米都有着独特的结构。当电子束穿过样品时，通过改变金属玻璃对光束的取向，杨尧他们得到了一系列的二维图像，这些图像可以捕捉到从不同方向观测玻璃时的细微变化。然后，使用原创的方法，他们由这些图像重建出最终的三维图像。最后，他们清晰地观察到了材料原子层面的结构特征，真正地看到了金属玻璃本身的“长相”。
看似“无序”的非晶材料，实则“有迹可循”。在实验中，杨尧他们定量地表征了金属玻璃结构中3D原子排列的短程和中程有序。虽然短程有序的3D原子堆积在几何上是无序的，但有一些短程有序结构会相互连接，形成晶体状的超团簇，从而产生中距离有序。
图2 金属玻璃纳米颗粒的中程有序结构
这项研究，在国际上首次实现了对金属玻璃中所有原子的3D位置的实验测定，为支持金属玻璃高效团簇堆积模型的总体框架提供了直接的实验证据。
在未来关于非晶探索的旅途中，这无疑是极其坚实和重要的一步。
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PART.02
更好的材料
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至此，有一些问题仍然没有被解答，比如：
如何看透玻璃？什么是非晶的本质？如何预测晶体生成的过程？如何进一步发展表征玻璃结构缺陷的技术？人们是否可以通过改变原子相互作用的方式，从而让它们做一些新的事情，去设计更好的多功能材料？
于是，我们还要进一步思考：材料的结构和性能之间存在着怎样的关系？
图3 材料科学中的‘构-效’关系
在“表征-模拟-实验”这个材料学的“三角”中，杨尧的研究属于分析表征的关键一环：基于对材料结构的分析和对性能的推论，人们可以用这些材料去做一些实际的应用。
那么，决定材料性质最重要的东西是什么？
“从来不存在完美的晶体，”杨尧说：“这个世界上普遍存在的，是缺陷。正是因为每种晶体都存在着各种各样的缺陷，才使得不同的材料具备了独特的性质。”
材料学家，一直在研究实际“不完美”物质的复杂组织形态。
如果人们使用传统的电子显微镜技术去给材料“看病”，需要假设所有地方的原子结构都是一样的。而杨尧他们的方法，不需要这样的假设，就可以看到材料中的缺陷，找到“病灶”。
图4 三维铂镍纳米催化剂的三维原子结构，表面取向，表面曲率和配位数
三维原子重构技术，还可以被应用于不同的材料体系中。做纳米材料出身的杨尧，未来也将继续聚焦纳米催化剂材料和量子材料等功能性材料的三维原子重构，以及原子分辨率下材料在不同反应中的多维度动态过程。
回国之后，杨尧尤其想做一些基础应用科学方面的研究。他希望自己的研究可以帮助人们提升器件的性能、得到更好的材料。比如，通过加深加深对某些反应或者过程背后机理的理解，他们是否可以改进材料，做出更高质量的催化剂、更好的燃料电池，并实现大规模的应用呢？
如果自己的研究真的可以推动中国催化剂或半导体产业的发展，杨尧想，这一定会是更有意义，也更重要的事。
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PART.03
探索未至之境
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“确定自己想选择的方向之后，就要坚定这件事情。”
还在读博的时候，杨尧也时而会感受到压力。但是，杨尧从来没有偏离过自己的规划和目标，并且获得了相当好的科研产出。因为他知道，做科研，一定是自己最想做的一件事情。
图5 博士期间的杨尧与课题组成员
在杨尧心里，基础科学本身非常重要。他也从来没有改变过那份期待：得到玻璃的结构，就真的能够解答几千年以来人类都不知道的那个问题了。
为了实现这个目标，杨尧还将致力于开发新型电子成像方法。他希望通过继续提升他们的算法，得到更好的数据，获得更好、更清晰的原子的结构。
此外，杨尧也期待这未来在西湖能和更多的科学家一起合作，探索高熵合金、钙钛矿等等极具前景的材料，加深甚至革新人们对它们理解。
在杨尧心里，西湖大学给予了像他这样的年轻科学家更高的自由度，这使他得以拥有继续坚定下去的底气。未来，他希望能和他的学生们一起探索和进步，去实现他们的想法。
从目不转睛地盯着原子结构时那个充满好奇之问的少年，到如今开始解答自己很多年前问题的材料科学家，杨尧始终没有忘记自己最初踏进科研之门时最想做的那件事——
“一开始，我的目标就是非晶材料。”
说出这句话并不容易。因为这场科研“马拉松”，很可能“跑完”要五年，十年，甚至更久。
发现之旅继续，他无畏而坚定地朝着那个方向前行着。
图6 2019年，杨尧在美国Yosemite
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欢迎加入杨尧课题组
多维电子成像实验室
杨尧课题组与UCLA，LBNL等多所国际一流大学和研究机构建立了长期合作关系，有出国与国际知名专家课题组合作的机会。欢迎有博士入学申请意向的同学联系或申请。
课题组长期招收博士后、助理研究员、科研助理，欢迎对本课题组研究方向（电子显微学，算法开发，纳米材料）有兴趣，具有物理、化学、材料科学和计算机等其他相关专业背景的研究者和同学联系申请。
联系方式：yangyao@westlake.edu.cn