江颖在实验室做实验 江颖在实验室做实验
左 图 为 利 左 图 为 利用 扫 描 隧 道 显 用 扫 描 隧 道 显微 镜 测 量 水 的 微 镜 测 量 水 的量 子 效 应 的 示 量 子 效 应 的 示意图 意图。 。 右图为单 右图为单个 水 分 子 的 非 个 水 分 子 的 非弹 性 电 子 隧 穿 弹 性 电 子 隧 穿谱 谱。 。
( ( 图 片 设 图 片 设计 计: : 梁明诚 梁明诚) )
“水的结构是什么?”这是 《科学》 杂志在创刊125周年的特刊中提出的125个最具挑战性的科学问题之一。
2016年,北京大学量子材料科学中心江颖研究员课题组和王恩哥院士课题组以及物理学院李新征研究员、华中科技大学吕京涛研究员合作,在国际上率先测定了氢键的量子成分,揭示了水的核量子效应。
江颖办公室的电脑中一直留存着这样一段自己的科研团队在超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)下记录到量子隧穿的模拟视频:在4个水分子构成的水团簇里,每个水分子的氢核在STM探针的控制下正在沿着氢键发生顺时针方向协同隧穿。那一瞬间隧穿的发生,宛若水分子美妙的舞蹈,优雅、灵动。
15年前的“大布局”水分子的全量子化效应被认为是揭开水的奥秘所需要解答的关键问题之一,已困扰科学界几十年。它包括电子量子化,核量子化以及核量子化对电子量子态的影响。过去的研究只局限在电子量子化的层面,而后两部分基本被忽略了。
早在2000年初,王恩哥课题组就开始关注水的全量子化效应。他们很早就在考虑将氢原子核和电子都当作量子处理,共同考虑和计算电子和原子核的量子效应,但是由于当时缺乏高精度实验技术和数据的支撑,这方面的研究进展缓慢。
2010年1月,王恩哥动员自己在中科院物理研究所的博士生、正在美国欧文加州大学作博士后研究的江颖回国,加入了北京大学量子材料科学中心。
江颖所在的博后研究组是STM自主研发和实验研究的国际顶尖团队。短短两年时间,江颖已在单分子探测和操控方向上练就了一身本领,回国以后,也成为北大量子材料科学中心实验方向的第一人。巧合的是,他在美国也曾有过研究原子核量子化的念头。
与此同时,李新征、吕京涛两位年轻学者也表现出对该课题的兴趣,他们分别擅长的理论计算和输运模拟可以提供助力。
大家一拍即合,立即由王恩哥牵头,联合申请了国家自然科学基金委重大研究计划项目“水在表面反应过程中的全量子化效应研究”并获得立项。关于水的全量子化效应的探索正式起步了。
艰难困苦,玉汝于成工欲善其事,必先利其器——精密仪器设备的缺乏成为摆在众人面前的第一个难题。
要想研究水的核量子效应,就必须对氢核进行定位并跟踪其运动,这需要稳定性和精度极高的扫描隧道显微镜才能实现,当时世界上最先进的设备也不能够满足课题组的需求。
自己动手,丰衣足食。还不满30岁的江颖带着并不比自己小多少的第一批博士生们开始了艰苦“创业”。
首先需要解决的是减震问题。物理学院实验楼离地铁四号线北大东门站不到一百米。地铁进出站带来的震动对于STM这样需要精确到皮米(10^-12 米)量级、“比最先进的地震仪还敏感”的精密仪器来说是致命的。
2010 年初,江颖对实验室的 STM 系统进行了精心设计:底部是一个重达十几吨的混凝土基座,它通过特制的空气弹簧与地面分离,再加上设备本身的主动减震气腿和涡流减震设备,三管齐下,尽可能地减小了地面震动对仪器精度的影响。
减震问题解决了,显微镜的探测精度和灵敏度还达不到要求。江颖带着学生们对STM原型机扫描探头的内部结构和电路进行全新的规划和设计。
在最后成型的设备上,有不少零部件都是课题组成员自己动手设计制作出来的。其中大多数的线路连接都需要在高倍显微镜底下操作。一次意外的晃动就可能会让肉眼勉强可见的探针脱落;黏贴部件的力气稍微大了一点,都可能会前功尽弃。
“我们采集信号的过程其实也是对水分子的不断扰动。很多时候,水分子不堪忍受高压的 ‘摧残’,直接消失的无影无踪,我们只能一遍一遍从头开始。数十次甚至上百次尝试才能采集一组完整的信号。为了体现实验结果的可重复性,我们通常要采集很多组完整信号,这无疑又使实验难度呈指数增长。”江颖的第一批博士生郭静对当年的实验过程记忆犹新。
2012年底是调试的关键时期,江颖带着课题组成员们在实验室一呆就是一整天,吃饭全部靠外卖解决。调试设备,出一批实验数据;根据数据再次调校,再出一批数据……如此循环往复。一个多月过去了,2013年初,调校准确的设备终于产出了第一批真实有效的实验数据。
氢核的量子化研究不仅对实验设备的分辨率和精度有很高的要求,而且对于理论计算也非常具有挑战性。王恩哥团队经过多年的努力,成功发展了一套基于第一性原理的路径积分分子动力学新方法,解决了全量子化计算量巨大、耗时漫长的问题。
最后的结果水到渠成:2014 年初,江颖和王恩哥领导的课题组及其合作者们实现了对氢核的实空间定位;2015 年 2 月,他们在实空间直接观察到了氢核在氢键网络内的协同量子隧穿过程;2016 年 4 月,他们测得了单个氢键的强度,首次揭示了水的核量子效应。
“团队合作的典范”“水的核量子效应”系列课题不仅需要直观的实验观察,还需要精准的计算模拟,以及相关分子/原子尺度理论的解释印证。三者相辅相成,缺一不可。
江颖称之为“物理学界团队合作的典范”。
在此系列课题研究中,江颖课题组主要负责实验部分,他们创新并发展了“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术,获得了单个水分子的高分辨振动谱。
王恩哥课题组和李新征负责的是全量子化理论计算部分,其中包括系统结构的分析、电子结构的分析,以及核量子效应对系
统热力学性质和动力学性质的影响。
吕京涛主要负责STM实验中电子输运过程的理论和计算模拟。
三方面如同一台精密仪器上的不可或缺的重要零部件,在相互承接、交错、咬合的运动中,推动着课题不断向前延伸。
“发挥各自的专长,并进行有机整合,这是该系列课题取得成功的重要因素。”江颖说。
江颖认为他们的扫描探针技术和王恩哥团队的基于第一性原理的全量子化计算方法是匹配度非常高的组合和选择——既能定性,又能定量。双方的合作大大的减小了计算的难度,实验结果和理论结果也能即时地进行互相对照、验证和处理。
“实验和计算就应该有这样的互动,才能相互启发。”江颖说。抱着这样的态度,他们在共同发表第一篇文章之后,合作渐入佳境,愈发默契。
“熟悉而又陌生”的水江颖与合作者们发现氢键的量子成分可远大于室温下的热能,表明氢核的量子效应足以对水的结构和性质产生显著的影响。
“这是一个非常基础的发现,将可能刷新我们对水和其他氢键体系的认知。”江颖介绍说。此项研究成果不仅是研究水的微观结构和物理性质的突破,也打开了一扇观察和思考所有包含氢键的物质和其他轻元素体系的大门。
无论在生活中,还是物理、化学、生物、环境科学、材料科学中,这一发现都有巨大的应用前景。比如,我们能更好地理解人体内涉及质子转移的化学反应机理;又比如,我们可以通过控制量子效应对水与周围局部环境相互作用的影响提高水的净化和海水淡化的效率。还有氢和氘同位素的筛选、水的光解制氢……不一而足。
王恩哥对此表示认同:“(该课题)在原子尺度揭示了水的奥秘, 未来会对很多实际问题,如环境保护、清洁能源等,发挥巨大作用。”
吕京涛则更认可这一系列工作在科学上的意义,“它使得人们可以在单分子层面来精确可控地研究原子核量子效应对氢键强弱的影响,同时也有助于人们进一步从微观层面来研究我们 ‘非常熟悉而又陌生’ 的水的复杂行为。”
2016 年 6 月,由王恩哥牵头,他们再次联合申请了国家重点研发计划“全量子化效应的原子级调控”。该项目旨在此前一系列研究成果的基础上,探索基于全量子化效应的新材料与新器件。
关于水之奥秘的探索还在继续,“水之舞”还将继续绽放它迷人的魅力。