今年的未來科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”授予楊學(xué)明，獎(jiǎng)勵(lì)其研發(fā)新一代高分辨率和高靈敏度量子態(tài)分辨的交叉分子束科學(xué)儀器，揭示了化學(xué)反應(yīng)中的量子共振現(xiàn)象和幾何相位效應(yīng)。
“我不太喜歡和別人做一模一樣的事情。從自己獨(dú)特的角度出發(fā)，這對(duì)科學(xué)的發(fā)展尤其自己的研究特別重要。”
遵循內(nèi)心堅(jiān)持的“原創(chuàng)”精神，南方科技大學(xué)副校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員楊學(xué)明帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自行研制了一系列科學(xué)儀器，并在化學(xué)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域取得多項(xiàng)突破性科研成果。
2022未來科學(xué)大獎(jiǎng)周剛剛落幕。今年的未來科學(xué)大獎(jiǎng)“物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)”授予楊學(xué)明，獎(jiǎng)勵(lì)其研發(fā)新一代高分辨率和高靈敏度量子態(tài)分辨的交叉分子束科學(xué)儀器，揭示了化學(xué)反應(yīng)中的量子共振現(xiàn)象和幾何相位效應(yīng)。
楊學(xué)明在交叉分子束儀器旁邊。中科院大連化物所供圖
大學(xué)曾自學(xué)量子力學(xué)，讀碩士期間“換跑道”研究化學(xué)
1962年，楊學(xué)明出生在浙江省德清縣一個(gè)小村莊。初中時(shí)，他讀書勤奮，理科成績(jī)出色，并經(jīng)常為同學(xué)補(bǔ)課。從那時(shí)起，他就展露出了非比尋常的學(xué)習(xí)能力。
中學(xué)時(shí)代，在化學(xué)老師的啟蒙之下，他對(duì)化學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。然而高考時(shí)，他的化學(xué)科目考得一般，物理成績(jī)卻高達(dá)95分，就這樣，16歲的他考入浙江師范學(xué)院物理系。
在大學(xué)里，楊學(xué)明打下了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，并萌生了考研究生的想法。當(dāng)時(shí)，量子力學(xué)是考研的必考題，但課程排在了最后一個(gè)學(xué)期。他必須自學(xué)這門頗有難度的課程，考研才有勝算。在自學(xué)過程中，老師為了鼓勵(lì)他，給他出了一張卷子，如果考試通過，就可以免修量子力學(xué)這門課。最終，楊學(xué)明不僅通過了考試，也順利地考入中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（以下簡(jiǎn)稱“大連化物所”），攻讀碩士研究生。
這件事給了楊學(xué)明極大的感觸和啟發(fā)，在他看來，自學(xué)能力是今后開展研究的必要技能。
在大連化物所，楊學(xué)明回歸興趣“初心”，選擇了化學(xué)激光專業(yè)。盡管自稱沒學(xué)夠化學(xué)，但最初從物理轉(zhuǎn)換到化學(xué)研究，他也曾歷經(jīng)不適，“物理和化學(xué)的‘語言’是不一樣的。但我很幸運(yùn)走上了這條道路，這對(duì)我的科學(xué)生涯發(fā)展產(chǎn)生了非常深刻的影響。”
他總結(jié)，學(xué)習(xí)物理會(huì)讓人加深對(duì)事情本質(zhì)的理解，物理的思維也是很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模瑢W(xué)完物理再去學(xué)化學(xué)，他對(duì)化學(xué)有了不一樣的理解和感悟，能夠從交叉角度看學(xué)科的發(fā)展，使他有更多新的機(jī)會(huì)，找到別人或許不太關(guān)注的科學(xué)問題。
1985年碩士研究生畢業(yè)后，楊學(xué)明遠(yuǎn)赴美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校攻讀博士。1991年至1995年，他在美國(guó)普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校從事博士后研究。在此期間，他意識(shí)到在自己所學(xué)的分子光譜學(xué)領(lǐng)域“找不到特別感興趣的方向”，同時(shí)也領(lǐng)悟到先進(jìn)的科研儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)化學(xué)物理基礎(chǔ)研究的重要作用，于是“換跑道”，集中精力研制科研儀器，轉(zhuǎn)向化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。“在這個(gè)過程中，不要把以前所學(xué)的東西拋掉了，要利用以前的基礎(chǔ)，找到未來感興趣的方向。”
2001年，楊學(xué)明接受母校中科院大連化物所時(shí)任所長(zhǎng)包信和的邀請(qǐng)，回到祖國(guó)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(zhǎng)興島”上，基于可調(diào)極紫外相干光源的綜合實(shí)驗(yàn)研究裝置（又稱“大連相干光源”）每天24小時(shí)運(yùn)行，許多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家來這里申請(qǐng)機(jī)時(shí)開展研究。“它確實(shí)是非常獨(dú)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(xué)明說。
2018年，楊學(xué)明主持建成的大連相干光源通過驗(yàn)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(zhǔn)確捕捉到分子、原子等微觀粒子在化學(xué)反應(yīng)中的動(dòng)態(tài)影像。
談及研究的初衷，楊學(xué)明說，自己在美國(guó)做博士后時(shí)，從事同步輻射光源在化學(xué)中的應(yīng)用研究，感覺到同步輻射光源的亮度不夠，達(dá)不到做很多化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求。他當(dāng)時(shí)就希望研制一個(gè)高亮度極紫外自由電子激光光源。回國(guó)后，他積極推動(dòng)自由電子激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
自由電子激光是近年來國(guó)際科技界飛速發(fā)展的一類重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，被稱為“第四代先進(jìn)光源”，具有超高亮度、超短脈沖、全相干等優(yōu)異特性，借助這些優(yōu)異性能，科學(xué)家可以在全新的時(shí)間尺度和空間尺度上理解自然過程，開辟一個(gè)從未被探索的世界。
而極紫外區(qū)域光源是探測(cè)分子、原子及其外殼層電子結(jié)構(gòu)最重要的光子能量區(qū)域，有助于科學(xué)家在原子、分子水平上開展一系列重大科學(xué)問題研究，對(duì)能源、化學(xué)、物理、材料以及光刻技術(shù)等領(lǐng)域都具有顯著的應(yīng)用。
“從科學(xué)發(fā)展史上看，科學(xué)儀器的研制特別重要。以前人們覺得太陽是繞著地球轉(zhuǎn)的，因?yàn)槿藗兊闹庇X是這樣的。有了天文望遠(yuǎn)鏡以后，科學(xué)家通過觀測(cè)才首次意識(shí)到，地球是繞著太陽在轉(zhuǎn)。”他說，實(shí)驗(yàn)科學(xué)沒有最好的儀器和方法，就做不到國(guó)際領(lǐng)先，永遠(yuǎn)只能跟著別人走。“長(zhǎng)期以來，我們最先進(jìn)的科學(xué)儀器大多是在國(guó)外購買的，這使得我們的科技硬實(shí)力落后于別人。”
楊學(xué)明認(rèn)為要想做好的實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究，就要先把科學(xué)儀器做好，掌握核心技術(shù)。然而，研發(fā)科學(xué)儀器并非易事。
2014年冬天，長(zhǎng)興島園區(qū)建設(shè)起步，水電等設(shè)施不全，也沒有暖氣，楊學(xué)明成了第一個(gè)來這里入駐和“裝修”的人。很多想法真正實(shí)施起來困難超乎想象，但他還是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)打拼，完成了大連相干光源主要基建工程和主體光源裝置的研制。值得一提的是，大連相干光源中90%的儀器設(shè)備均由我國(guó)自主研發(fā)。
如今，大連相干光源正持續(xù)產(chǎn)出重量級(jí)成果。就在今年，科研人員利用自主研制的基于大連相干光源的中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)方法，在類冰中性水團(tuán)簇七聚體中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)棱柱狀和籠狀結(jié)構(gòu)，為揭開液態(tài)水至微冰的氫鍵網(wǎng)絡(luò)演化機(jī)制提供了新的思路。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)極紫外自由電子激光可以用于小分子藥物和生物大分子相互作用研究，為新藥研制提供了新的工具。
建議推動(dòng)高端科研儀器發(fā)展
2017年11月，楊學(xué)明擔(dān)任南方科技大學(xué)理學(xué)院院長(zhǎng)，參與理學(xué)院的發(fā)展和建設(shè)。目前，他正在推動(dòng)我國(guó)新一代高重頻自由電子激光裝置的發(fā)展，推進(jìn)軟X射線和極紫外自由電子激光計(jì)劃。
楊學(xué)明說，自由電子激光是基于常溫加速器的裝置，但常溫加速器的技術(shù)有一定限制性，散熱能力不強(qiáng)，所以每秒能夠承受電子束脈沖的能力比較低，只能產(chǎn)生大約100個(gè)脈沖，很難產(chǎn)生平均亮度非常高的光源。
過去十年，超導(dǎo)加速器的發(fā)展使加速器技術(shù)有了很大進(jìn)展，超導(dǎo)加速器的優(yōu)勢(shì)是加速電子產(chǎn)生的熱量少，每秒鐘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(fā)展高亮度的極紫外和X射線光源成為可能。
“這也是我們?cè)谙乱淮咧仡l自由電子激光最重要的核心技術(shù)。”他說，這一國(guó)際領(lǐng)先的裝置亮度很高，在能源、材料、半導(dǎo)體加工等方面將有重要應(yīng)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(duì)大灣區(qū)的基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和平臺(tái)建設(shè)發(fā)揮很大的推動(dòng)作用。”
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)充滿難度和挑戰(zhàn)，但楊學(xué)明抱有極大的耐心和熱忱。
楊學(xué)明研發(fā)的大科學(xué)儀器，是從個(gè)人的研究興趣出發(fā)，希望得到解決重要科學(xué)問題的工具，也希望這樣的科學(xué)儀器助力解決國(guó)家重要的卡脖子技術(shù)。但他也關(guān)注到我國(guó)科研儀器研發(fā)底子相對(duì)薄弱的現(xiàn)象。作為全國(guó)人大代表，楊學(xué)明近幾年來也在兩會(huì)上呼吁加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)高端科研儀器的研發(fā)和大科學(xué)設(shè)施的發(fā)展。
他坦言，做科學(xué)儀器對(duì)科學(xué)家來說，其實(shí)是很吃力的一件事情，科學(xué)儀器是科學(xué)和工程相結(jié)合，科學(xué)家也要面臨爭(zhēng)取較大經(jīng)費(fèi)的難題。
未來應(yīng)該如何促進(jìn)原創(chuàng)科學(xué)儀器的設(shè)計(jì)研發(fā)？楊學(xué)明認(rèn)為，要有鼓勵(lì)的政策環(huán)境和資源，科學(xué)體系里也應(yīng)能容納這樣一批專門做儀器研發(fā)的人。“現(xiàn)在的考核體系大部分是看發(fā)表文章，這就導(dǎo)致大家傾向于使用現(xiàn)成的儀器做研究寫文章。但真正的科學(xué)是要有儀器上的創(chuàng)新，這才能更有利于推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展。科學(xué)儀器就是一個(gè)國(guó)家科技硬實(shí)力的代表。”
他指出，要注重科學(xué)儀器的效率問題，真正發(fā)揮發(fā)展原創(chuàng)性科學(xué)的作用。同時(shí)，要通過科學(xué)儀器的研發(fā)培養(yǎng)人才。在他的研究組里，很多學(xué)生都有拆裝儀器、設(shè)計(jì)和研制儀器的經(jīng)驗(yàn)，“我們迫切需要培養(yǎng)更多的高水平的科學(xué)儀器研發(fā)人才。”
■ 對(duì)話楊學(xué)明：研發(fā)科學(xué)儀器要注意集成問題
新京報(bào)：你因揭示了化學(xué)反應(yīng)中的量子共振現(xiàn)象和幾何相位效應(yīng)的成就獲得未來科學(xué)大獎(jiǎng)物質(zhì)科學(xué)獎(jiǎng)，請(qǐng)解讀這項(xiàng)研究的背景和意義。
楊學(xué)明：每個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程都很特別，從反應(yīng)物到產(chǎn)物有一個(gè)過渡的狀態(tài)，就是過渡態(tài)。20世紀(jì)30年代，Eyring和Polanyi提出化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)理論，即化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵在于理解其短暫的過渡態(tài)，在這千萬億分之一秒內(nèi)，原子之間舊鍵斷裂，新化學(xué)鍵形成。
這個(gè)過程決定了它屬于哪種化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)速率有多快、生成哪種產(chǎn)物。這是化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究中最重要的課題。直接觀察反應(yīng)過渡態(tài)被認(rèn)為是化學(xué)研究中的圣杯。7名化學(xué)家因開發(fā)了闡明這些過程的科學(xué)工具和實(shí)驗(yàn)，分別在1967年、1986年、1999年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。
過渡狀態(tài)也有一些特別的量子態(tài)存在，對(duì)化學(xué)反應(yīng)有非常重要的影響。我們的工作就是發(fā)展新的實(shí)驗(yàn)方法，觀測(cè)這些量子態(tài)的特性，結(jié)合理論詮釋它們，使我們從量子層面對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程了解得更透徹。
幾何相位效應(yīng)是一種特殊的量子現(xiàn)象，在物理和化學(xué)領(lǐng)域有廣泛和特別的意義。我們通過新的實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)展，首次在世界上觀測(cè)到了化學(xué)反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)，從而研究化學(xué)反應(yīng)非常特殊的機(jī)理。
總的來說，這些工作是非常基礎(chǔ)性的，化學(xué)動(dòng)力學(xué)本身就是基礎(chǔ)性的學(xué)科。這些工作的意義也并不是在某一個(gè)反應(yīng)上，而是具有普遍的意義。對(duì)基本化學(xué)過程的理解，也能推動(dòng)具體應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，比如大氣化學(xué)、燃燒化學(xué)、星際化學(xué)等。
新京報(bào)：由于有了一系列自行研制的原創(chuàng)科學(xué)儀器做支撐，你帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在化學(xué)動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域取得了很多重大科研成果。在研制科學(xué)儀器時(shí)曾遇到什么困難，如何攻破？
楊學(xué)明：我研制科學(xué)儀器，通常是想得很透了再去做。因?yàn)槲覀冏鰞x器不容易，首先要籌措一筆經(jīng)費(fèi)，還要想辦法做出好的儀器，解決想要研究的科學(xué)問題。這個(gè)過程中有很多挑戰(zhàn)，包括技術(shù)性的挑戰(zhàn)。
所以首先要提出非常好的設(shè)計(jì)方案，方案中提出關(guān)鍵的問題，比如技術(shù)性能，所以要對(duì)技術(shù)的前沿有充分的了解，比如技術(shù)發(fā)展到了什么水平？我們能用到什么水平？這是最關(guān)鍵的問題。
每個(gè)儀器都不一樣，怎么來凸顯我的儀器的獨(dú)特性和先進(jìn)性，要能做其他人做不了的實(shí)驗(yàn)，這也是研制儀器之前就必須要想好的。后續(xù)研制也遇到過很多問題，比如超高真空、激光技術(shù)等問題，每一個(gè)都需要去攻克，這樣才能做出世界最好、真正領(lǐng)先的科學(xué)儀器。需要注意的是，單項(xiàng)技術(shù)雖然很重要，但更關(guān)鍵的是把各種技術(shù)集成做好，因?yàn)楝F(xiàn)在的科學(xué)儀器是非常復(fù)雜的，是各種先進(jìn)技術(shù)的集合。
研發(fā)科學(xué)儀器是系統(tǒng)工程，而最重要的需要與科學(xué)問題緊密結(jié)合，真正把技術(shù)和科學(xué)結(jié)合起來，這樣才能做出世界一流的科學(xué)儀器。
新京報(bào)：你在大學(xué)有自學(xué)量子力學(xué)的經(jīng)歷，對(duì)現(xiàn)在的年輕學(xué)子，你有哪些學(xué)習(xí)方法和經(jīng)驗(yàn)可以分享？
楊學(xué)明：我認(rèn)為自學(xué)能力的培養(yǎng)特別重要，年輕人在大學(xué)學(xué)習(xí)或者研究生學(xué)習(xí)時(shí)要有這樣的精神，而不是所有知識(shí)的獲得都依賴?yán)蠋煛ｋS著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大家獲得知識(shí)的渠道更加豐富、方式也更加便利，應(yīng)該充分利用這樣的環(huán)境去學(xué)習(xí)和探索，人的發(fā)展是累積的過程。
我在讀研究生的時(shí)候，導(dǎo)師張存浩院士給了我一個(gè)非常好的建議——?jiǎng)傞_始讀研時(shí)，要花95%的時(shí)間做課題方面的研究和學(xué)習(xí)。但慢慢地，也應(yīng)該多花一點(diǎn)時(shí)間涉獵一些別的方向，這樣才能擴(kuò)大自己的視野，對(duì)更多學(xué)科有更好的理解和把握，也會(huì)大大幫助自己的研究方向。我認(rèn)為這非常有道理，多年來，我受益于這樣的思想，從更寬的視野和學(xué)科角度來認(rèn)識(shí)化學(xué)和物理世界。
