[科普中国]-江颖：每一滴水都是量子水，“反常”源自氢核的量子效应

2019年6月2日，“创新引领未来”未来青年论坛在京举办。北京大学博雅特聘教授、未来论坛青创联盟成员江颖在全体大会上作了题为《熟悉而又陌生的水世界》的演讲。场上，一幅幅高分辨率显微图像刷新了我们对水的认知。我们日常所见的水，竟然是世界上最复杂的物质之一。这究竟是怎么回事？在大会间隙，腾讯科普对江颖教授进行了采访。江颖教授就水的性质、水的研究方法、研究意义等作了简单介绍，并分享了对于中国制造、下一个科学突破、美国对华政策改变等问题的看法。日常所见的水，竟然是世界上最复杂的物质之一江颖教授介绍说，水有很多反常性质。例如，结冰之后体积反而变大，热水比冷水更容易结冰，超级大的比热和表面张力等。近些年来，人们开始意识到，很多反常特性实际上源自通常被忽略的水的量子效应，这种效应可以从水分子的结构中找到根源。我们都知道，水分子是由一个氧原子和两个氢原子组成的带夹角的共价结构。但事情显然没有这么简单。其实，由于氢原子核质量非常小，水分子中的氢与电子一样并没有确定的位置，它在空间中呈现一种概率分布（量子力学的不确定原理）。这就是一种 “量子效应”。水具有非常强的核量子效应。非但如此，水分子之间存在一种特殊的化学键：氢键，氢键很容易断开与形成，表现出明显的协同性，一个氢键受到扰动，其他氢键都会响应。而且氢键具有方向性，只有当氢指向氧的时候才会成键。这让水的性质变得非常奇怪。想要理解水的反常性质，最直接的方法就是用显微镜直接观察水的分子结构和氢键构型，了解它的量子效应。水的量子效应从何而来？江颖告诉腾讯科普，量子效应实际上有很多种，一般说的量子效应主要是指电子的量子效应。比如说量子隧穿效应（由电子等微观粒子的波动性产生的穿越位势垒的行为），另外它有很强的零点运动或者叫量子涨落（在绝对零度也拥有能量）。此外，原子核本身也会有量子效应。当原子核跟电子尺寸差不多，或者质量差不太多的时候，例如氢原子核，就会表现出明显的量子效应。当这些电子、原子核排在一块，形成多体的固体或液体结构时，个体的量子效应集合在一起，就会显现出一种集体的量子行为。这种量子行为会影响材料的宏观性质，就是我们说的量子材料。研究量子材料，就是研究这些由电子和原子核组成的多体结构的宏观量子体现。水的许多令人费解的反常性质就是一种宏观量子体现。研究水的量子效应，可以让我们更好地理解和利用水，并有可能挖掘其更多未知的特性。扫描探针显微镜，像“盲人摸象”一样摸出材料的表面形态江颖的课题组主要用扫描探针显微镜来研究各种低维量子材料。这是一种不同于传统光学或电子显微镜的成像设备。“它的原理就像盲人摸象”，江颖打了个比方说，“一般的显微镜是用眼睛去看，而扫描探针显微镜像是用手去摸”。对于光学显微镜来说，它利用光的折射和反射成像，其分辨率会受到衍射极限的限制（与波长相关），一般最多能看到几十纳米。但如果想看原子、分子的话，它的尺度要比这小两个量级以上，在埃（0.1纳米）的量级。光学显微镜是难以分辨这些原子、分子的。这就必须用另外一种显微镜，叫扫描探针显微镜。扫描探针显微镜通过探针在材料表面的移动，来描绘材料的样貌。具体而言，通过监测探针与材料之间的隧道电流（由前述量子隧穿效应产生，大小与距离有关），来“摸”出材料的表面形态；另一种方法是通过监测探针与材料之间的斥力或引力，来“摸”出材料的表面形态。前者称为扫描隧道显微镜，可用于探测导体或半导体，后者称作原子力显微镜，可以探测绝缘材料。二者的分辨率都可以达到原子级。经过特殊的升级改造，实现原子核的量子效应探测经过多年积累，江颖课题组在原有扫描探针显微镜的基础上进行升级改造，大幅提高了扫描探针显微镜的分辨率，于2014年首次获得了水分子的内部结构成像，并于2016年在世界范围内首次探测到了原子核的量子效应，刷新了人们对水和其他轻元素材料体系的认知。但这有何特别之处呢？江颖告诉腾讯科普，“在扫描探针显微镜领域，一般来说看电子是很容易的，因为电子在原子核外面，所以像穿衣服的人，看的首先都是外面的衣服，但是原子核被电子包裹在里面，想要看到原子核的信息，通常来说是很困难的”，所以这在技术上有很大的挑战性。经过一系列的创新性设计，比如，设计制作新一代qPlus型原子力传感器（一种高灵敏度力和电流的传感器），借助高阶静电力，江颖课题组已经实现了对氢原子核的直接成像和定位。在会场上，我们还看到了课题组刚拍到的、迄今最高分辨率的水分子结构图像。这些超高分辨图像和原子核量子效应表征，为人们理解微观世界打开了一个新窗口，对凝聚态物理和物理化学的理论和应用发展都意义重大。下一步，江颖还计划将研究范围扩展到更多领域，例如生命科学领域，用于研究人体中的离子输运、DNA识别等。而在这些问题之外，我们也看到了探测设备对于科研的重要性。在采访中，江颖也对中国的科研仪器制造、探测技术与科学发展的关系、美国限制华人学者/中国企业对外合作、基础科学发展周期等问题，发表了看法：探测技术与科学发展密不可分，中国制造还需静心积累江颖告诉腾讯科普，他此前及现行研究都是建立在对设备的改造和升级之上。这不禁让人想到中国精密仪器的制造现状。江颖认为，中国的精密仪器制造水平在整体上跟国外相比还有很大差距。“原因可能是多方面的”，江颖说，“一个主要原因是，我们做高端设备的企业家、工程师、工人等，还缺乏一些工匠精神。”“因为很多的科学设备需要不断地精益求精，在某个细节上面不断地抠，靠长期积累和自己的琢磨，还要学会创新。在国内目前的大环境下可能大家还是静不下心。”“另外一个原因是，一套系统往往是各个方面部件的协同作用，如果只是某些点上面做得比国外好，但别的点还是要靠进口，这个还不能叫自主研发。我们国家的科学高速发展只有二三十年，而国外很多公司都是百年老店，要一下达到他们的水平是很难的，还要靠长期积累。”江颖希望在未来二三十年内中国的科研仪器制造商能够将短板补上。而对于探测手段与科学发展的关系，江颖认为，科技的发展与探测手段的升级和创新密不可分，创新性设备的研发与研制直接推动了科技的进步。他举例说，人类发现超导现象，就是得益于低温技术的发展，因为一个叫昂内斯的科学家发明了能够液化氦的设备，得到了零下268℃（4.2K）的低温，这才发现了超导现象，此后又触发了一系列研究与应用，包括医院用的核磁共振设备，就是用超导线圈做的磁体。还有比较新的冷冻电镜，可以看到以前（用X射线）看不到的生物分子结构，由此改变了分子生物学的进程和研究范式。至于“美国限制华人学者和中国企业对外交流合作”的问题，江颖则表示，这是个好事，因为中国的科学在改革开放以来虽然发展得很快，但是真正从零到一的创新还是非常的少，在经费充足的情况下，我们以为自己的科研已经做得非常好了，但现在这个事一出来，大家才意识到，很多东西“不是说受影响，而是完全做不了，技术和设备都是别人的”。“这就迫使我们要重新思考这个问题”，江颖说，“我们真的需要‘断奶’了，要下定决心、破釜沉舟去做这个事情”，这对中国科学取得下一步的飞跃式的发展，应该是一个好事。科学发展有其自然规律，量子计算可能最先改变世界而对于刘慈欣提到的 “基础科学已经停滞太久”的说法，江颖则表示“一半认同一半不认同”。他说，就比如量子力学，其理论框架在20世纪前半截就已经建立起来，后面都在不断地验证它，以及用它去理解各种事物。从这个层面来说，量子力学的基础理论确实处于停滞状态。“但这个是科学的一个趋势和潮流”，“因为任何一个理论出来，第一步都是去证明它对不对，第二步是用它来理解我们的自然界，这个我们已经做得很好了”。“现在最重要的是怎样利用量子力学的原理来造福人类，来产生新的技术，比如量子计算和量子通讯”，他说，“我们现在就处在突破技术瓶颈的阶段，虽说某些理论处于停滞状态，但这是一个自然趋势，我们需要用它来做更多的事情，然后在下一个阶段才可能催生出新的理论，这是科学发展的一个规律”。而说到当下热门的量子计算、寻找希格斯粒子、人工智能、太空探索等话题，江颖表示，最看好量子计算。“我觉得量子计算有很大的希望（最先获得突破）”，他说，“有可能在近30年，保守一点说，应该会有一些突破。另外就是量子材料，我觉得在硅基材料之后，下一个有可能改变世界的应该是量子材料。”但是到底是哪种量子材料，现在大家“还不能下定论”。而对于人工智能，江颖则表示，课题组已经开始尝试使用人工智能来帮助做显微镜的图像处理工作，通过机器学习来提高图像识别的效率。受报告中水分子显微成像和黑洞照片对比启发，腾讯科普也问到 “微观世界与宏观世界关系”的问题。江颖认为，从原子尺度到宇宙，跨度非常大，他认同“所有的宏观的大尺度的东西，实际上都是由微观的物质组成”，“但是它们之间没有必然联系，因为单个小尺度东西表现的性质，并不能代表大体系的性质，很多研究都表明，它们放在一起时会相互作用、相互纠缠，可能会产生全新的现象，而这又是小东西所没有的。”“从原子、分子一直过渡到宇宙，每一层都有自己的规律，我们叫‘层展’现象”，江颖说到。最后，作为未来论坛青创联盟的成员，江颖表示了对“未来论坛”的高度赞赏。他说，让不同学科的科学家在一起进行思想交流与碰撞，产生新想法的概率远远大于在各个学科框架之下的思考；而且它为大众提供了很多接受科普的机会，让专业的科学家去面向大众作硬科普，对于大众了解科学、尊重科学，让科学流行起来非常有帮助；同时，未来论坛的工作人员都非常热爱科学，有内在的动力去推行这些事，他非常高兴能够看到未来论坛迅速地发展。在短暂的采访之后，江颖不得不赶向下一个议程。从他身上，我们切实感受到青年科学家的活力与自信。对科技发展充满信心、对科学交流和传播充满热情，我们衷心期待青创联盟在未来不断带给我们新惊喜。受访人 | 江颖 北京大学量子材料科学中心教授 博雅特聘教授作者 | 高佩雯 （本文发布前已由受访人审阅）文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国