江穎：新技術帶來新視野，水為什麼是自然界最複雜物質？

2019年6月2日，「創新引領未來」未來青年論壇在京舉辦。北京大學博雅特聘教授、未來論壇青創聯盟成員江穎在全體大會上作了題為《熟悉而又陌生的水世界》的演講。場上，一幅幅高解析度顯微圖像刷新了我們對水的認知。我們日常所見的水，竟然是世界上最複雜的物質之一。這究竟是怎麼回事？

在大會間隙，騰訊科普對江穎教授進行了採訪。江穎教授就水的性質、水的研究方法、研究意義等作了簡單介紹，並分享了對於中國製造、下一個科學突破、美國對華政策改變等問題的看法。

江穎教授介紹說，水有很多反常性質。例如，結冰之後體積反而變大，熱水比冷水更容易結冰，超級大的比熱和表面張力等。近些年來，人們開始意識到，很多反常特性實際上源自通常被忽略的水的量子效應，這種效應可以從水分子的結構中找到根源。

我們都知道，水分子是由一個氧原子和兩個氫原子組成的帶夾角的共價結構。但事情顯然沒有這麼簡單。其實，由於氫原子核質量非常小，水分子中的氫與電子一樣並沒有確定的位置，它在空間中呈現一種概率分布（量子力學的不確定原理）。這就是一種 「量子效應」。水具有非常強的核量子效應。

非但如此，水分子之間存在一種特殊的化學鍵：氫鍵，氫鍵很容易斷開與形成，表現出明顯的協同性，一個氫鍵受到擾動，其他氫鍵都會響應。而且氫鍵具有方向性，只有當氫指向氧的時候才會成鍵。這讓水的性質變得非常奇怪。

想要理解水的反常性質，最直接的方法就是用顯微鏡直接觀察水的分子結構和氫鍵構型，了解它的量子效應。

水的量子效應從何而來？

江穎告訴騰訊科普，量子效應實際上有很多種，一般說的量子效應主要是指電子的量子效應。比如說量子隧穿效應（由電子等微觀粒子的波動性產生的穿越位勢壘的行為），另外它有很強的零點運動或者叫量子漲落（在絕對零度也擁有能量）。此外，原子核本身也會有量子效應。當原子核跟電子尺寸差不多，或者質量差不太多的時候，例如氫原子核，就會表現出明顯的量子效應。

圖註：微觀粒子的量子隧穿效應，相當於在經典物理中，一個小球即使不能蹦到山頂的高度（能量低於位勢壘），也有一定概率能穿過小山到達另一邊；在宏觀上，表現為兩塊點接觸（或非常靠近）的材料之間也可以有電流通過；來源：維基百科

當這些電子、原子核排在一塊，形成多體的固體或液體結構時，個體的量子效應集合在一起，就會顯現出一種集體的量子行為。這種量子行為會影響材料的宏觀性質，就是我們說的量子材料。研究量子材料，就是研究這些由電子和原子核組成的多體結構的宏觀量子體現。

水的許多令人費解的反常性質就是一種宏觀量子體現。研究水的量子效應，可以讓我們更好地理解和利用水，並有可能挖掘其更多未知的特性。

掃描探針顯微鏡，像「盲人摸象」一樣摸出材料的表面形態

江穎的課題組主要用掃描探針顯微鏡來研究各種低維量子材料。這是一種不同於傳統光學或電子顯微鏡的成像設備。「它的原理就像盲人摸象」，江穎打了個比方說，「一般的顯微鏡是用眼睛去看，而掃描探針顯微鏡像是用手去摸」。

對於光學顯微鏡來說，它利用光的折射和反射成像，其解析度會受到衍射極限的限制（與波長相關），一般最多能看到幾十納米。但如果想看原子、分子的話，它的尺度要比這小兩個量級以上，在埃（0.1納米）的量級。光學顯微鏡是難以分辨這些原子、分子的。這就必須用另外一種顯微鏡，叫掃描探針顯微鏡。

掃描探針顯微鏡通過探針在材料表面的移動，來描繪材料的樣貌。具體而言，通過監測探針與材料之間的隧道電流（由前述量子隧穿效應產生，大小與距離有關），來「摸」出材料的表面形態；另一種方法是通過監測探針與材料之間的斥力或引力，來「摸」出材料的表面形態。前者稱為掃描隧道顯微鏡，可用於探測導體或半導體，後者稱作原子力顯微鏡，可以探測絕緣材料。二者的解析度都可以達到原子級。

圖註：掃描隧道顯微鏡工作原理，加電壓後探針和材料之間會產生隧道電流，電流大小會隨針尖到材料之間的距離而變化，移動探針即可得到材料表面的三維形貌；來源：騰訊科普現場攝

經過特殊的升級改造，實現原子核的量子效應探測

經過多年積累，江穎課題組在原有掃描探針顯微鏡的基礎上進行升級改造，大幅提高了掃描探針顯微鏡的解析度，於2014年首次獲得了水分子的內部結構成像，並於2016年在世界範圍內首次探測到了原子核的量子效應，刷新了人們對水和其他輕元素材料體系的認知。

但這有何特別之處呢？江穎告訴騰訊科普，「在掃描探針顯微鏡領域，一般來說看電子是很容易的，因為電子在原子核外面，所以像穿衣服的人，看的首先都是外面的衣服，但是原子核被電子包裹在裡面，想要看到原子核的信息，通常來說是很困難的」，所以這在技術上有很大的挑戰性。

經過一系列的創新性設計，比如，設計製作新一代qPlus型原子力感測器（一種高靈敏度力和電流的感測器），藉助高階靜電力，江穎課題組已經實現了對氫原子核的直接成像和定位。在會場上，我們還看到了課題組剛拍到的、迄今最高解析度的水分子結構圖像。

圖註：江穎在會場上展示的「迄今為止最高解析度的水分子結構圖像」（右），可以直接看到單個水分子的輪廓（藍色亮線）；該圖尚未發表；來源：報告截圖

這些超高分辨圖像和原子核量子效應表徵，為人們理解微觀世界打開了一個新窗口，對凝聚態物理和物理化學的理論和應用發展都意義重大。下一步，江穎還計劃將研究範圍擴展到更多領域，例如生命科學領域，用於研究人體中的離子輸運、DNA識別等。

而在這些問題之外，我們也看到了探測設備對於科研的重要性。在採訪過程中，江穎也對中國的科研儀器製造、探測技術與科學發展的關係、美國限制華人學者/中國企業對外合作、基礎科學發展周期等問題，發表了看法：

探測技術與科學發展密不可分，中國製造還需靜心積累

江穎告訴騰訊科普，他此前及現行研究都是建立在對設備的改造和升級之上。這不禁讓人想到中國精密儀器的製造現狀。

江穎認為，中國的精密儀器製造水平在整體上跟國外相比還有很大差距。「原因可能是多方面的」，江穎說，「一個主要原因是，我們做高端設備的企業家、工程師、工人等，還缺乏一些工匠精神。」「因為很多的科學設備需要不斷地精益求精，在某個細節上面不斷地摳，靠長期積累和自己的琢磨，還要學會創新。在國內目前的大環境下可能大家還是靜不下心。」

「另外一個原因是，一套系統往往是各個方面部件的協同作用，如果只是某些點上面做得比國外好，但別的點還是要靠進口，這個還不能叫自主研發。我們國家的科學高速發展只有二三十年，而國外很多公司都是百年老店，要一下達到他們的水平是很難的，還要靠長期積累。」江穎希望在未來二三十年內中國的科研儀器製造商能夠將短板補上。

而對於探測手段與科學發展的關係，江穎認為，科技的發展與探測手段的升級和創新密不可分，創新性設備的研發與研製直接推動了科技的進步。他舉例說，人類發現超導現象，就是得益於低溫技術的發展，因為一個叫昂內斯的科學家發明了能夠液化氦的設備，得到了零下268℃（4.2K）的低溫，這才發現了超導現象，此後又觸發了一系列研究與應用，包括醫院用的核磁共振設備，就是用超導線圈做的磁體。還有比較新的冷凍電鏡，可以看到以前（用X射線）看不到的生物分子結構，由此改變了分子生物學的進程和研究範式。

圖註：低溫下的超導體，磁懸浮源自超導體的「完全抗磁性」（超導兩大特性之一，另一個是大家熟知的「零電阻」）；圖片來自網路

至於「美國限制華人學者和中國企業對外交流合作」的問題，江穎則表示，這是個好事，因為中國的科學在改革開放以來雖然發展得很快，但是真正從零到一的創新還是非常的少，在經費充足的情況下，我們以為自己的科研已經做得非常好了，但現在這個事一出來，大家才意識到，很多東西「不是說受影響，而是完全做不了，技術和設備都是別人的」。

「這就迫使我們要重新思考這個問題」，江穎說，「我們真的需要『斷奶』了，要下定決心、破釜沉舟去做這個事情」，這對中國科學取得下一步的飛躍式的發展，應該是一個好事。

科學發展有其自然規律，量子計算可能最先改變世界

而對於劉慈欣提到的 「基礎科學已經停滯太久」的說法，江穎則表示「一半認同一半不認同」。他說，就比如量子力學，其理論框架在20世紀前半截就已經建立起來，後面都在不斷地驗證它，以及用它去理解各種事物。從這個層面來說，量子力學的基礎理論確實處於停滯狀態。「但這個是科學的一個趨勢和潮流」，「因為任何一個理論出來，第一步都是去證明它對不對，第二步是用它來理解我們的自然界，這個我們已經做得很好了」。

「現在最重要的是怎樣利用量子力學的原理來造福人類，來產生新的技術，比如量子計算和量子通訊」，他說，「我們現在就處在突破技術瓶頸的階段，雖說某些理論處於停滯狀態，但這是一個自然趨勢，我們需要用它來做更多的事情，然後在下一個階段才可能催生出新的理論，這是科學發展的一個規律」。

而說到當下熱門的量子計算、尋找希格斯粒子、人工智慧、太空探索等話題，江穎表示，最看好量子計算。「我覺得量子計算有很大的希望（最先獲得突破）」，他說，「有可能在近30年，保守一點說，應該會有一些突破。另外就是量子材料，我覺得在硅基材料之後，下一個有可能改變世界的應該是量子材料。」但是到底是哪種量子材料，現在大家「還不能下定論」。

而對於人工智慧，江穎則表示，課題組已經開始嘗試使用人工智慧來幫助做顯微鏡的圖像處理工作，通過機器學習來提高圖像識別的效率。

受報告中水分子顯微成像和黑洞照片對比啟發，騰訊科普也問到 「微觀世界與宏觀世界關係」的問題。江穎認為，從原子尺度到宇宙，跨度非常大，他認同「所有的宏觀的大尺度的東西，實際上都是由微觀的物質組成」，「但是它們之間沒有必然聯繫，因為單個小尺度東西表現的性質，並不能代表大體系的性質，很多研究都表明，它們放在一起時會相互作用、相互糾纏，可能會產生全新的現象，而這又是小東西所沒有的。」「從原子、分子一直過渡到宇宙，每一層都有自己的規律，我們叫『層展』現象」，江穎說到。

圖註：水分子靜電場（左）與黑洞（右）圖像對比；來源：報告截圖

最後，作為未來論壇青創聯盟的成員，江穎表示了對「未來論壇」的高度讚賞。他說，讓不同學科的科學家在一起進行思想交流與碰撞，產生新想法的概率遠遠大於在各個學科框架之下的思考；而且它為大眾提供了很多接受科普的機會，讓專業的科學家去面向大眾作硬科普，對於大眾了解科學、尊重科學，讓科學流行起來非常有幫助；同時，未來論壇的工作人員都非常熱愛科學，有內在的動力去推行這些事，他非常高興能夠看到未來論壇迅速地發展。

在短暫的採訪之後，江穎不得不趕向下一個議程。從他身上，我們切實感受到青年科學家的活力與自信。對科技發展充滿信心、對科學交流和傳播充滿熱情，我們衷心期待青創聯盟在未來不斷帶給我們新驚喜。

受訪人：江穎 北京大學量子材料科學中心教授 博雅特聘教授

採訪人：高佩雯 騰訊科普，本文發布前已由受訪人審閱

文章由騰訊科普「科普中國頭條創作與推送項目」團隊推出

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