楊學明院士:做世界上獨一無二的原創科學儀器

2022年12月06日15:08

“我不太喜歡和別人做一模一樣的事情。從自己獨特的角度出發,這對科學的發展尤其自己的研究特別重要。”

遵循內心堅持的“原創”精神,南方科技大學副校長、中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員楊學明帶領團隊自行研製了一系列科學儀器,並在化學動力學領域取得多項突破性科研成果。

2022未來科學大獎周剛剛落幕。今年的未來科學大獎“物質科學獎”授予楊學明,獎勵其研發新一代高解像度和高靈敏度量子態分辨的交叉分子束科學儀器,揭示了化學反應中的量子共振現象和幾何相位效應。

楊學明在交叉分子束儀器旁邊。中科院大連化物所供圖
楊學明在交叉分子束儀器旁邊。中科院大連化物所供圖

大學曾自學量子力學,讀碩士期間“換跑道”研究化學

1962年,楊學明出生在浙江省德清縣一個小村莊。初中時,他讀書勤奮,理科成績出色,並經常為同學補課。從那時起,他就展露出了非比尋常的學習能力。

中學時代,在化學老師的啟蒙之下,他對化學產生了濃厚的興趣。然而高考時,他的化學科目考得一般,物理成績卻高達95分,就這樣,16歲的他考入浙江師範學院物理系。

在大學里,楊學明打下了堅實的物理基礎,並萌生了考研究生的想法。當時,量子力學是考研的必考題,但課程排在了最後一個學期。他必須自學這門頗有難度的課程,考研才有勝算。在自學過程中,老師為了鼓勵他,給他出了一張卷子,如果考試通過,就可以免修量子力學這門課。最終,楊學明不僅通過了考試,也順利地考入中國科學院大連化學物理研究所(以下簡稱“大連化物所”),攻讀碩士研究生。

這件事給了楊學明極大的感觸和啟發,在他看來,自學能力是今後開展研究的必要技能。

在大連化物所,楊學明回歸興趣“初心”,選擇了化學激光專業。儘管自稱沒學夠化學,但最初從物理轉換到化學研究,他也曾曆經不適,“物理和化學的‘語言’是不一樣的。但我很幸運走上了這條道路,這對我的科學生涯發展產生了非常深刻的影響。”

他總結,學習物理會讓人加深對事情本質的理解,物理的思維也是很嚴謹的,學完物理再去學化學,他對化學有了不一樣的理解和感悟,能夠從交叉角度看學科的發展,使他有更多新的機會,找到別人或許不太關注的科學問題。

1985年碩士研究生畢業後,楊學明遠赴美國加州大學聖芭芭拉分校攻讀博士。1991年至1995年,他在美國普林斯頓大學、加州大學伯克利分校從事博士後研究。在此期間,他意識到在自己所學的分子光譜學領域“找不到特別感興趣的方向”,同時也領悟到先進的科研儀器對實驗化學物理基礎研究的重要作用,於是“換跑道”,集中精力研製科研儀器,轉向化學反應動力學研究。“在這個過程中,不要把以前所學的東西拋掉了,要利用以前的基礎,找到未來感興趣的方向。”

2001年,楊學明接受母校中科院大連化物所時任所長包信和的邀請,回到祖國工作。

主持建成“全球最亮極紫外光源”

在距離大連市中心100公里的小島“長興島”上,基於可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置(又稱“大連相干光源”)每天24小時運行,許多國內外科學家來這裏申請機時開展研究。“它確實是非常獨特的光源,是世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子激光裝置。”楊學明說。

2018年,楊學明主持建成的大連相干光源通過驗收,被喻為“照亮微觀世界的超快超亮極紫外閃光燈”,這一“閃光燈”可準確捕捉到分子、原子等微觀粒子在化學反應中的動態影像。

談及研究的初衷,楊學明說,自己在美國做博士後時,從事同步輻射光源在化學中的應用研究,感覺到同步輻射光源的亮度不夠,達不到做很多化學動力學實驗的需求。他當時就希望研製一個高亮度極紫外自由電子激光光源。回國後,他積極推動自由電子激光技術的發展和應用。

自由電子激光是近年來國際科技界飛速發展的一類重大科技基礎設施,被稱為“第四代先進光源”,具有超高亮度、超短脈衝、全相乾等優異特性,借助這些優異性能,科學家可以在全新的時間尺度和空間尺度上理解自然過程,開闢一個從未被探索的世界。

而極紫外區域光源是探測分子、原子及其外殼層電子結構最重要的光子能量區域,有助於科學家在原子、分子水平上開展一系列重大科學問題研究,對能源、化學、物理、材料以及光刻技術等領域都具有顯著的應用。

“從科學發展史上看,科學儀器的研製特別重要。以前人們覺得太陽是繞著地球轉的,因為人們的直覺是這樣的。有了天文望遠鏡以後,科學家通過觀測才首次意識到,地球是繞著太陽在轉。”他說,實驗科學沒有最好的儀器和方法,就做不到國際領先,永遠只能跟著別人走。“長期以來,我們最先進的科學儀器大多是在國外購買的,這使得我們的科技硬實力落後於別人。”

楊學明認為要想做好的實驗科學研究,就要先把科學儀器做好,掌握核心技術。然而,研發科學儀器並非易事。

2014年冬天,長興島園區建設起步,水電等設施不全,也沒有暖氣,楊學明成了第一個來這裏入駐和“裝修”的人。很多想法真正實施起來困難超乎想像,但他還是帶領團隊打拚,完成了大連相干光源主要基建工程和主體光源裝置的研製。值得一提的是,大連相干光源中90%的儀器設備均由我國自主研發。

如今,大連相干光源正持續產出重量級成果。就在今年,科研人員利用自主研製的基於大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法,在類冰中性水團簇七聚體中發現了多個棱柱狀和籠狀結構,為揭開液態水至微冰的氫鍵網絡演化機制提供了新的思路。最近,研究人員發現極紫外自由電子激光可以用於小分子藥物和生物大分子相互作用研究,為新藥研製提供了新的工具。

建議推動高端科研儀器發展

2017年11月,楊學明擔任南方科技大學理學院院長,參與理學院的發展和建設。目前,他正在推動我國新一代高重頻自由電子激光裝置的發展,推進軟X射線和極紫外自由電子激光計劃。

楊學明說,自由電子激光是基於常溫加速器的裝置,但常溫加速器的技術有一定限制性,散熱能力不強,所以每秒能夠承受電子束脈衝的能力比較低,只能產生大約100個脈衝,很難產生平均亮度非常高的光源。

過去十年,超導加速器的發展使加速器技術有了很大進展,超導加速器的優勢是加速電子產生的熱量少,每秒鍾加速電子束的頻率可以大幅提高,從100赫茲變成100萬赫茲,平均亮度乘1萬倍。這使得發展高亮度的極紫外和X射線光源成為可能。

“這也是我們在下一代高重頻自由電子激光最重要的核心技術。”他說,這一國際領先的裝置亮度很高,在能源、材料、半導體加工等方面將有重要應用,“使我們做一些別人做不了的研究工作。裝置未來在深圳落地,將對大灣區的基礎科學、應用科學和平台建設發揮很大的推動作用。”

實現這一目標充滿難度和挑戰,但楊學明抱有極大的耐心和熱忱。

楊學明研發的大科學儀器,是從個人的研究興趣出發,希望得到解決重要科學問題的工具,也希望這樣的科學儀器助力解決國家重要的卡脖子技術。但他也關注到我國科研儀器研發底子相對薄弱的現象。作為全國人大代表,楊學明近幾年來也在兩會上呼籲加強國產高端科研儀器的研發和大科學設施的發展。

他坦言,做科學儀器對科學家來說,其實是很吃力的一件事情,科學儀器是科學和工程相結合,科學家也要面臨爭取較大經費的難題。

未來應該如何促進原創科學儀器的設計研發?楊學明認為,要有鼓勵的政策環境和資源,科學體系里也應能容納這樣一批專門做儀器研發的人。“現在的考核體系大部分是看發表文章,這就導致大家傾向於使用現成的儀器做研究寫文章。但真正的科學是要有儀器上的創新,這才能更有利於推動科學的發展。科學儀器就是一個國家科技硬實力的代表。”

他指出,要注重科學儀器的效率問題,真正發揮發展原創性科學的作用。同時,要通過科學儀器的研發培養人才。在他的研究組里,很多學生都有拆裝儀器、設計和研製儀器的經驗,“我們迫切需要培養更多的高水平的科學儀器研發人才。”

■ 對話楊學明:研發科學儀器要注意集成問題

新京報:你因揭示了化學反應中的量子共振現象和幾何相位效應的成就獲得未來科學大獎物質科學獎,請解讀這項研究的背景和意義。

楊學明:每個化學反應過程都很特別,從反應物到產物有一個過渡的狀態,就是過渡態。20世紀30年代,Eyring和Polanyi提出化學反應過渡態理論,即化學反應的關鍵在於理解其短暫的過渡態,在這千萬億分之一秒內,原子之間舊鍵斷裂,新化學鍵形成。

這個過程決定了它屬於哪種化學反應、反應速率有多快、生成哪種產物。這是化學動力學研究中最重要的課題。直接觀察反應過渡態被認為是化學研究中的聖盃。7名化學家因開發了闡明這些過程的科學工具和實驗,分別在1967年、1986年、1999年獲得諾貝爾獎。

過渡狀態也有一些特別的量子態存在,對化學反應有非常重要的影響。我們的工作就是發展新的實驗方法,觀測這些量子態的特性,結合理論詮釋它們,使我們從量子層面對化學反應過程瞭解得更透徹。

幾何相位效應是一種特殊的量子現象,在物理和化學領域有廣泛和特別的意義。我們通過新的實驗方法和實驗儀器的發展,首次在世界上觀測到了化學反應中的幾何相位效應,從而研究化學反應非常特殊的機理。

總的來說,這些工作是非常基礎性的,化學動力學本身就是基礎性的學科。這些工作的意義也並不是在某一個反應上,而是具有普遍的意義。對基本化學過程的理解,也能推動具體應用領域的發展,比如大氣化學、燃燒化學、星際化學等。

新京報:由於有了一系列自行研製的原創科學儀器做支撐,你帶領團隊在化學動力學領域取得了很多重大科研成果。在研製科學儀器時曾遇到什麼困難,如何攻破?

楊學明:我研製科學儀器,通常是想得很透了再去做。因為我們做儀器不容易,首先要籌措一筆經費,還要想辦法做出好的儀器,解決想要研究的科學問題。這個過程中有很多挑戰,包括技術性的挑戰。

所以首先要提出非常好的設計方案,方案中提出關鍵的問題,比如技術性能,所以要對技術的前沿有充分的瞭解,比如技術發展到了什麼水平?我們能用到什麼水平?這是最關鍵的問題。

每個儀器都不一樣,怎麼來凸顯我的儀器的獨特性和先進性,要能做其他人做不了的實驗,這也是研製儀器之前就必須要想好的。後續研製也遇到過很多問題,比如超高真空、激光技術等問題,每一個都需要去攻克,這樣才能做出世界最好、真正領先的科學儀器。需要注意的是,單項技術雖然很重要,但更關鍵的是把各種技術集成做好,因為現在的科學儀器是非常複雜的,是各種先進技術的集合。

研發科學儀器是系統工程,而最重要的需要與科學問題緊密結合,真正把技術和科學結合起來,這樣才能做出世界一流的科學儀器。

新京報:你在大學有自學量子力學的經曆,對現在的年輕學子,你有哪些學習方法和經驗可以分享?

楊學明:我認為自學能力的培養特別重要,年輕人在大學學習或者研究生學習時要有這樣的精神,而不是所有知識的獲得都依賴老師。隨著互聯網的發展,大家獲得知識的渠道更加豐富、方式也更加便利,應該充分利用這樣的環境去學習和探索,人的發展是累積的過程。

我在讀研究生的時候,導師張存浩院士給了我一個非常好的建議——剛開始讀研時,要花95%的時間做課題方面的研究和學習。但慢慢地,也應該多花一點時間涉獵一些別的方向,這樣才能擴大自己的視野,對更多學科有更好的理解和把握,也會大大幫助自己的研究方向。我認為這非常有道理,多年來,我受益於這樣的思想,從更寬的視野和學科角度來認識化學和物理世界。

■ 人物簡介

楊學明,南方科技大學副校長、中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員。

過去二十年,他利用自行研製和原創的一系列國際領先的科學儀器,在化學反應動力學研究方面取得了系列性的、備受國際矚目的重要研究成果。他的系列性研究工作將化學反應動力學實驗研究推到了前所未有的高水平上,並通過與理論學者的合作,解決了化學動力學研究領域長期存在的一些科學難題,在反應過渡態動力學以及非絕熱動力學研究方面作出了重要貢獻。

新京報記者 張璐

編輯 樊一婧 校對 劉軍

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