未名湖是一处北大的必打卡地
有人欣赏湖畔的杨柳依依
有人感受时光流转的静谧
北京大学物理学院教授
“80后”博导江颖则与众不同
未名湖的冰面启发他钻研并解释了
一个争议长达170多年的问题
相关成果日前已于Nature杂志发表
江颖参加央视《开讲啦》节目录制
冬日的一次散步，江颖发现湖面上有很多像波纹一样的涟漪，他原以为湖面没有结冰，但当用手一摸时才发现表面已是固态，就连那些褶皱都是硬的。亦冰亦水的奇特现象让江颖倍感新奇，他赶紧拍了照片发朋友圈，配文是“湖面上是水还是冰？”好几位老师在下面留言讨论，都认为冰表面很值得研究，江颖回复说：“好主意，设计个实验试试！” 一个新课题就这样诞生了！
江颖带着学生开始探究冰表面到底长啥样。6年时间，他不仅自主研发出中国第一台光耦合qPlus型扫描探针显微镜，还从原子尺度上揭开了有关冰的一系列未解之谜，给出了冰表面预融化机制这一长达170多年的争议问题的答案。研究的创新性、文章的完整度赢得审稿人一致的高度赞赏，于日前发表在Nature杂志上。
启发了江颖教授的未名湖冰面
冰的表面远比看起来要复杂得多
只有实现冰表面的原子级分辨成像
才能掌握了解密冰的钥匙
实验中，用探针进行表面的扫描
是整个环节里最难翻越的山丘之一
高分辨的扫描探针显微成像
需要尖端非常尖锐的探针
其制备通常是在导电的金属衬底上完成的
糟糕的是，冰表面恰好是一个绝缘体
因此不能在其表面进行原位针尖的修饰
扫描探针显微镜工作原理示意
对此，江颖提出一种方法——
在金属表面先制备好合适的针尖
然后将它转移到冰表面进行扫描
听起来很简单的一个过程
在落实的时候难倒了众人
“把针尖从一个表面转移到另一个表面后，
针尖的尖端结构以及吸附的单分子很容易变化，
我们很难保证在转移过程中，
这个针尖还能维持原来的最佳状态。”
经过无数次改进
团队终于开发出通用的
一氧化碳分子修饰针尖技术
成功解决了将修饰好的针尖
从一个样品无损转移到另一个样品的问题
可在任何绝缘体表面实现稳定的原子级分辨成像
在对冰表面进行表征时
课题组发现表面总是非常无序
他们进行了系统的变温生长实验发现
其实冰表面的预融化温度非常低
在零下153℃就会开始融化
之前得到的无序结构都是融化了的冰表面
需要在非常狭窄的温度区域
才能找到冰表面晶化的结构
这样的结论直接颠覆了
人们对冰表面结构和预融化机理的传统认知
江颖团队自创的一系列技术
首次在冰表面看清并定位
世界上最小的原子——氢原子
冰表面原子分辨成像的实现
令很多国内外同行感到不可思议
“这是前所未有的分辨率”
科研设备是科学家的“眼睛”
在美国加州大学欧文分校
Wilson Ho（何文程）院士课题组
从事博士后研究的两年时光
让江颖对搭建设备有了最深刻的体验
“这是个非常特立独行的课题组，
因为组里没有一台商业化的设备，
所有的设备都是自己研发的。”
在国内时没有经过相关培训的江颖
一开始的处境可以说是举步维艰
他在工厂车间做了近4个月的“技工”
早上用软件画图设计零件
下午就拿图去车间用铣床、车床加工
晚上回到实验室组装并测试
凌晨一两点再去返工
回到家时已是凌晨三四点
加工零件时都是站着的
中途坐下休息的一两个小时里
江颖也会利用起来读读文献
尽快弥补自己在基础知识上的欠缺
江颖在美国博后期间加工零件使用的铣床（左）、加工的部分零件（右）
持续磨练后
江颖的动手能力迅速提升
他很感谢也很庆幸
自己在博后期间踏踏实实当好一名“技工”
正是那几个月的魔鬼训练
让他获得了导师的“真传”
才有了搭建顶尖设备的底气
江颖在自行研发的扫描探针显微镜旁
造一流设备是江颖深埋心中的一个梦
但这也是一项极限挑战
江颖用了十来年时间成功研制出
我国第一台qPlus型扫描探针显微镜
这是目前扫描探针显微镜家族里空间分辨率最高的
目前已实现商业化应用
有了如此精密的设备
再加上高超的实验技术
江颖团队与合作者接连突破前沿研究
在不到一个月时间里
成果相继发表于Nature和Science
基于这么多年的一线实战
江颖悟出了一个规律——
当把每一个细枝末节的过程都摸清后
会发现那些处于顶端的科研设备也并非高不可攀
它们其实都是各种各样的
小步骤、小部件、小技术堆砌起来的
就好像拼乐高一样
这可比研究量子力学要简单得多
为了能把自己长久科研实践积淀的
技术、经验和眼界原原本本地传授给学生
江颖始终坚守在科研的第一线
被学生们戏称为
实验室里永不毕业的“大师兄”
江颖在指导学生制作扫描探头
“江老师会特别频繁地出现在实验室，
他和我们一起参与到一项研究的方方面面。
在他的羽翼下，
我养成了很好的思维模式，
拥有了搭建设备的硬实力。”
论文共同第一作者
北京大学物理学院特聘研究员田野如是说
“做实验久了难免感到枯燥和迷茫，
当感觉自己做出来的数据没啥意义时，
我就喜欢找江老师聊聊天，
他看问题的视角和方法总能激活我那停摆的脑细胞。
我们都不拿他当外人，
有一回，实验进展缓慢，有点心急了，
当着江老师的面就哭了，
他还好言好语安慰我。”
论文共同第一作者
北京大学物理学院博士后洪嘉妮回忆道
江颖（右二）与学生在一起滑雪
江颖（右一）与学生在一起
这位“大师兄”也会偶尔严厉
不停地“找茬”和泼冷水
激励学生想方设法验证结论
“我先做最严苛的审稿人，
迫使他们把很多不确定的问题彻底解决，
学生们在我这里先经历预审稿后，
将来投国际期刊时才能更顺畅一些。”
这套做法的有效性
在他这篇文章投Nature时得到了印证
文章在第一轮评审后就被告知可接受发表
这样的特例非常少见
审稿人赞不绝口
“这是一项完成得非常漂亮的工作”
摄影：邓枭
在江颖的履历上
已经收获Science、Nature等论文数篇
但他并不要求每个学生毕业前一定要有好文章
重要的是掌握实验技能
能够独立思考，将来独当一面
他希望每位选择科研这条路的学生
对科研都是发自内心的热爱
“只有热爱你所从事的科研方向和领域，
才能耐得住出成果前很长一段时间的寂寞”。
北京大学将2024年确定为“学科质量年”，旨在凝聚全校力量，加快推进顶尖学科建设，实现学科实力的整体提升。长期以来，北大的科学家们矢志不渝、锐意创新、不懈探索；他们与所有科学家一起，怀着好奇心和探索欲，不断拓展着人类知识的边界。北大官微特推出全新栏目#百位北大科学家，讲述北大科学家寻求理论突破、攻克技术难关的故事。
来源 | 北京大学融媒体中心、北京大学物理学院、中国科学报
编辑、排版 | 唐儒雅
责编 | 郭雅颂
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