——“在實驗科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)儀器做不好，很難超越別人，永遠只能跟著別人走。想做好的實驗科學(xué)研究，唯一的辦法就是要先把科學(xué)儀器做好，掌握核心技術(shù)。”
——“我很自然地選了物理化學(xué)學(xué)科，物理化學(xué)絕大部分的理論基礎(chǔ)是物理。原子分子、化學(xué)反應(yīng)，這些實際上都可以講成是物理的，化學(xué)反應(yīng)遵循的最重要的基本原理就是量子力學(xué)?！?/p>
楊學(xué)明尋找反應(yīng)共振態(tài)一直是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究一個備受關(guān)注的重要課題，它提供了實驗直接觀察化學(xué)反應(yīng)在飛秒級過渡態(tài)附近行為的契機。8月21日，中國科學(xué)院院士，南方科技大學(xué)副校長、講席教授，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員楊學(xué)明因其研發(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)的成就，獲得未來科學(xué)大獎“物質(zhì)科學(xué)獎”，單項獎金675萬元人民幣。
出生在浙江省德清縣一個小村莊，熱愛化學(xué)的楊學(xué)明高考后進入物理專業(yè)。化學(xué)沒念夠，懷著對化學(xué)的向往考研，從此叩開物理化學(xué)的大門。“物理化學(xué)絕大部分的理論基礎(chǔ)是物理。原子分子、化學(xué)反應(yīng)，這些實際上都可以講成是物理的，化學(xué)反應(yīng)遵循的最重要的基本原理就是量子力學(xué)?！?/p>
在美國做博士后時期，楊學(xué)明換跑道進入科學(xué)儀器領(lǐng)域，找到了堅持至今的科研方向：發(fā)展新的科學(xué)儀器，從事化學(xué)動力學(xué)領(lǐng)域最尖端的實驗科學(xué)研究。“在實驗科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)儀器做不好，很難超越別人，永遠只能跟著別人走。想做好的實驗科學(xué)研究，唯一的辦法就是要先把科學(xué)儀器做好，掌握核心技術(shù)?！?/p>
已到耳順之年的楊學(xué)明仍在履行自己的科學(xué)使命。目前他正推動我國新一代高重頻自由電子激光裝置的發(fā)展，推進深圳規(guī)劃中的X射線自由電子激光和大連極紫外自由電子激光項目的建設(shè)，為科研工作者提供世界上最先進的極紫外和軟X射線光源。
“做實驗科學(xué)的科學(xué)家，是永無止境地在找新的工具、新的方法?！睏顚W(xué)明表示，X射線自由電子激光是基于國際最先進的超導(dǎo)加速器技術(shù)研發(fā)的裝置，對于未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展和基礎(chǔ)科學(xué)應(yīng)用有重要作用。能夠推動這樣的裝置在深圳落地，有助于推進大灣區(qū)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)發(fā)展。
楊學(xué)明表示，當(dāng)我們走在科研前沿，需要自己趟一條路出來，堅持是重要的。“你覺得這個方向很重要，你找到了好的問題，要千方百計地想辦法解決這些問題?！彼ㄗh年輕人要有耐力，有新的想法，敢闖敢試，才能真正找到一條科學(xué)自信發(fā)展的道路。
飛秒級的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)如何觀測？
自20世紀(jì)30年代化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)理論提出以來，化學(xué)動力學(xué)研究取得了多個里程碑式的進展，并多次獲得諾貝爾化學(xué)獎。
楊學(xué)明開發(fā)了新一代高分辨率和高靈敏度的交叉分子束科學(xué)儀器，在基元化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究領(lǐng)域，尤其是化學(xué)反應(yīng)共振態(tài)、化學(xué)反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)及量子干涉等方面的研究取得重大突破。
他發(fā)展了量子態(tài)分辨的后向散射譜學(xué)技術(shù)，通過高分辨的散射實驗與精確理論研究相結(jié)合，揭示了多類化學(xué)反應(yīng)共振現(xiàn)象，大力推動了在量子水平上化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)的研究。
此外，他還發(fā)展了高分辨的交叉分子束反應(yīng)成像技術(shù)，首次在實驗上發(fā)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)以及自旋-軌道共振分波之間的量子干涉現(xiàn)象。
楊學(xué)明獲獎理由過渡態(tài)理論即活化絡(luò)合物理論，該理論認(rèn)為，反應(yīng)物分子并不只是通過簡單碰撞直接形成產(chǎn)物，而是必須經(jīng)過一個形成高能量活化絡(luò)合物的過渡狀態(tài)，并且達到這個過渡狀態(tài)需要一定的活化能，再轉(zhuǎn)化成生成物。過渡態(tài)是反應(yīng)物體系轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物體系過程中經(jīng)過的能量最高狀態(tài)，舊鍵未完全斷裂，新鍵未完全形成，過渡態(tài)是不穩(wěn)定的?！懊總€化學(xué)反應(yīng)過程都是很特別的，控制化學(xué)反應(yīng)最重要的過程就是過渡態(tài)?！睏顚W(xué)明表示，過渡態(tài)特性是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究非常重要的課題。化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)研究的一個根本任務(wù)是認(rèn)識反應(yīng)過渡態(tài)如何控制化學(xué)反應(yīng)的速率和產(chǎn)物分布，因此，長期以來直接觀察反應(yīng)過渡態(tài)被認(rèn)為是化學(xué)科學(xué)研究中的一個“圣杯”。
但對于多數(shù)化學(xué)反應(yīng)來說，反應(yīng)過渡態(tài)壽命非常短，一般在飛秒量級，而1飛秒等于1000萬億分之一秒，因此實驗上直接觀測這些短壽命化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)是極其困難的。
反應(yīng)共振態(tài)是化學(xué)反應(yīng)體系在過渡態(tài)區(qū)域形成的具有一定壽命的準(zhǔn)束縛量子態(tài)，類似于分子中的光譜所對應(yīng)的振動轉(zhuǎn)動態(tài)。它提供了一個實驗直接觀察化學(xué)反應(yīng)在過渡態(tài)附近行為的契機，進而可以利用共振態(tài)對化學(xué)反應(yīng)的一些細(xì)節(jié)開展詳細(xì)研究。
尋找反應(yīng)共振態(tài)一直是反應(yīng)動力學(xué)研究的一個備受關(guān)注的重要課題?！拔覀兊墓ぷ魇聦嵣鲜前l(fā)展新的實驗方法來觀測這些量子態(tài)的特性，然后跟動力學(xué)理論相結(jié)合，詮釋這些量子態(tài)各種各樣的特性，如能量、壽命和波函數(shù)等，使我們對化學(xué)反應(yīng)過程真正能夠從量子層面上了解得非常透徹?！?/p>
楊學(xué)明發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物量子態(tài)分辨的后向散射信號隨碰撞能的變化是實驗探測反應(yīng)共振態(tài)的最有效方法，團隊將其稱為后向散射譜方法（BSS），該方法是實驗探測反應(yīng)共振態(tài)的利器。
與理論學(xué)家張東輝院士合作，楊學(xué)明還揭示了“物理化學(xué)家們長期尋找的化學(xué)反應(yīng)共振態(tài)的 ‘新機理’——化學(xué)鍵軟化”，“這項研究大大擴展了我們對化學(xué)反應(yīng)共振現(xiàn)象的認(rèn)識和理解，為今后的反應(yīng)共振態(tài)研究指明了一個新的方向?！彼奶岬?。
與此同時，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)域有廣泛和特別的應(yīng)用?！拔覀兊墓ぷ魇峭ㄟ^新的實驗方法、實驗儀器的發(fā)展，首次在世界上觀測到了化學(xué)反應(yīng)中的幾何相位效應(yīng)，而且能夠用幾何相位效應(yīng)研究化學(xué)反應(yīng)非常特殊的機理?！?/p>
楊學(xué)明和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授王興安等人曾自主研制了一臺獨特的結(jié)合閾值激光電離技術(shù)以及離子速度成像技術(shù)的交叉分子束反應(yīng)動力學(xué)研究裝置，使得實驗上獲得的氫原子產(chǎn)物的散射角度分辨率達到同類儀器中世界上最高水平。
利用這一裝置，研究小組成功測得H+HD→H2+D反應(yīng)的全量子態(tài)分辨產(chǎn)物速度影像，并在實驗上觀測到轉(zhuǎn)動態(tài)分辨的H2產(chǎn)物前向角分布快速振蕩結(jié)構(gòu)。研究人員揭示了幾何相位在化學(xué)反應(yīng)中獨特的作用以及幾何相位效應(yīng)的物理本質(zhì)，相關(guān)成果于2018年12月在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
叩開物理化學(xué)大門，換跑道進入科學(xué)儀器領(lǐng)域
“我在學(xué)術(shù)發(fā)展過程中走了一條自己覺得非常有特色的道路，有時候確實也是一種機遇?！?/p>
1962年，楊學(xué)明出生在浙江省德清縣一個小村莊。中學(xué)時期受到化學(xué)老師的啟蒙熱愛化學(xué)，但這門熱愛的學(xué)科并未在高考時眷顧他，“高考的時候化學(xué)沒有考得很好，物理考得特別好?！?978年，16歲的他考入浙江師范學(xué)院物理系。
大學(xué)快要畢業(yè)，未來到底該走往何方？楊學(xué)明自然而然又想到了化學(xué)，“我感覺化學(xué)我沒有念夠，所以要去念化學(xué)?！彼肟佳?，量子力學(xué)是必考課題，但這門課被排在了最后一個學(xué)期，“所以我就很急?！?/p>
教量子力學(xué)課程的李鶴年老師建議他自學(xué)，“他說如果我自學(xué)考過了，最后一個學(xué)期就不用上了，這也逼著我去自學(xué)?！弊詈笙道锏目荚囈餐ㄟ^了。楊學(xué)明回憶起來，這個自學(xué)過程對他有著重要意義，“至少考研究生時，我敢于去考量子力學(xué)了，考得也還可以，考上了?！?/p>
1982年，楊學(xué)明順利考上中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所。20歲走出浙江，從物理轉(zhuǎn)到化學(xué)研究，成為中國著名化學(xué)家張存浩和朱時清教授的學(xué)生，也叩開了物理化學(xué)的大門。
楊學(xué)明說自己是幸運的，物理擁有一套嚴(yán)格的理論體系，物理思想是非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，而他?jīng)過物理專業(yè)訓(xùn)練后轉(zhuǎn)入化學(xué)專業(yè)，感悟到了不一樣的化學(xué)。從交叉學(xué)科發(fā)展來講，可以從不同角度研究，甚至進入另一個學(xué)科，有了更多新機會去發(fā)現(xiàn)別人或許不太關(guān)注的科學(xué)問題。
“我很自然地選了物理化學(xué)學(xué)科，物理化學(xué)絕大部分的理論基礎(chǔ)是物理。原子分子、化學(xué)反應(yīng)，這些實際上都可以講成是物理的，化學(xué)反應(yīng)遵循的最重要的基本原理就是量子力學(xué)。”
1985年拿到大連化學(xué)物理研究所的碩士學(xué)位后，他前往美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校化學(xué)系攻讀博士。1991-1995年，他在美國普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校從事博士后研究。
外人看來一帆風(fēng)順的科研道路，楊學(xué)明自覺也有困惑的時刻。在大連化學(xué)物理研究所、加州大學(xué)圣巴巴拉分校以及普林斯頓大學(xué)時期，他學(xué)的都是分子光譜學(xué)。當(dāng)在普林斯頓大學(xué)做完博士后，他開始考慮未來的方向，光譜之路看上去“不是很好走”，“光譜這個領(lǐng)域找不到特別喜歡做的事情?！?/p>
他萌生了換跑道的想法。剛好加州大學(xué)伯克利分校的機會在眼前，他想試試?yán)孟冗M光源，研發(fā)化學(xué)動力學(xué)的科學(xué)儀器。“我發(fā)了那么多分子光譜研究的文章，感覺好像還是挺困難，沒找到一個新的發(fā)展點。我想如果去做科學(xué)儀器，就算不是那么成功，也可以學(xué)會做高水平的科學(xué)儀器，也許我有別的方向可以選擇，比如做一個儀器工程師，我覺得這樣也很好?！?/p>
從普林斯頓大學(xué)轉(zhuǎn)到加州大學(xué)伯克利分校，他開始學(xué)習(xí)利用計算機輔助設(shè)計，設(shè)計先進的科學(xué)儀器，并利用先進光源的方法研究化學(xué)動力學(xué)。楊學(xué)明做好了少發(fā)論文的準(zhǔn)備。在普林斯頓大學(xué)一年多時間發(fā)了十多篇論文，而在加州大學(xué)勞倫斯伯克萊國家實驗室的兩年半時間，他只做了一套復(fù)雜的分子束科學(xué)儀器，只發(fā)了幾篇論文。
但也正是因為這次轉(zhuǎn)折和經(jīng)歷，楊學(xué)明找到了堅持到現(xiàn)在的科研方向：發(fā)展新的科學(xué)儀器，從事化學(xué)動力學(xué)領(lǐng)域最尖端的實驗科學(xué)研究。
“絕大部分人在做科學(xué)時都要面對研究方向的選擇，很少有人一輩子在一個領(lǐng)域做相同的事情?！睏顚W(xué)明的經(jīng)驗是，即便換跑道也不要放棄以往基礎(chǔ)，而是利用以往基礎(chǔ)開拓感興趣的新方向。
“我特別喜歡做儀器做設(shè)計，那個時候用電腦做設(shè)計是比較新興的，我覺得這個方向特別有意思。畫出設(shè)計圖紙，然后做成自己想要的科學(xué)儀器，很有成就感。所以我就義無反顧地做了這件事?！?/p>
科學(xué)儀器做不好 永遠只能跟著別人走
“如果我做科學(xué)儀器，從來不做跟別人一樣的。如果我要做一個科學(xué)儀器，我必須要說服自己，我的科學(xué)儀器做成之后，能對這個領(lǐng)域有一個非常特別的視角，這個視角能夠使我在某些研究方向上做出非常有特色的研究，或是別人做不到?！?/p>
楊學(xué)明研發(fā)的十多臺套科學(xué)儀器都遵循這樣的原則，這些儀器也是他馳騁學(xué)術(shù)戰(zhàn)場的利器。楊學(xué)明長期從事氣相與表面化學(xué)反應(yīng)機理和動力學(xué)研究，自行設(shè)計研制和發(fā)展了一系列具有國際領(lǐng)先水平的科學(xué)儀器, 并利用這些先進科學(xué)儀器在化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)領(lǐng)域取得了系列性的重要研究成果。
他在美國普林斯頓大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校從事博士后研究時，研究了同步輻射光源在化學(xué)中的應(yīng)用?！澳莻€時候我覺得對我的研究來說同步輻射的亮度不太夠，所以我一直想，未來如果我們能有一個極紫外或自由電子激光裝置就好了，使得極紫外的光亮度能達到我的要求?！?/p>
正是因為這個想法，楊學(xué)明回國后和中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所的同仁一起推動了極紫外自由電子激光技術(shù)的發(fā)展。他主持研制成功我國第一臺大型自由電子激光科學(xué)研究用戶裝置，這是世界上唯一運行在極紫外波段的自由電子激光裝置。
今年，分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點實驗室、大連光源科學(xué)研究室研究員江凌和中國科學(xué)院院士楊學(xué)明團隊與清華大學(xué)教授李雋研究組合作，利用自主研制的基于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(fā)現(xiàn)了多個棱柱狀和籠狀結(jié)構(gòu)，為揭開液態(tài)水至微冰的氫鍵網(wǎng)絡(luò)演化機制提供了新的思路。
大連相干光源也就是楊學(xué)明領(lǐng)導(dǎo)研發(fā)建設(shè)的“基于可調(diào)極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”，這一裝置持續(xù)產(chǎn)出重量級成果令他興奮。
“做科學(xué)儀器的人往往并不是特別受重視，但沒有新科學(xué)儀器的發(fā)展，在實驗上很難做出有重要意義的工作?！睏顚W(xué)明認(rèn)為，實驗科學(xué)的發(fā)展如果沒有新的科學(xué)儀器，很難做到真正的國際領(lǐng)先?！皩嶒灴茖W(xué)的發(fā)展要發(fā)現(xiàn)和探索新的現(xiàn)象，而用老舊的儀器很難看到新的現(xiàn)象?！?/p>
“在實驗科學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)儀器做不好，很難超越別人，永遠只能跟著別人走。想做好的實驗科學(xué)研究，唯一的辦法就是要先把科學(xué)儀器做好，掌握核心技術(shù)?！睏顚W(xué)明呼吁大幅提升對技術(shù)的重視程度，加大科學(xué)儀器研制的投入。當(dāng)前我國先進科學(xué)儀器很大一部分要靠進口，一旦受限也將面臨“卡脖子”的問題?？茖W(xué)儀器做不好，很難真正做到科學(xué)自立自強。
“所以我們要鼓勵年輕人和學(xué)者勇于發(fā)展自己的技術(shù)和先進儀器，特別是做實驗科學(xué)，不要限于從一個儀器上拿到數(shù)據(jù)就夠了，而是要真正從根本上發(fā)展自己最先進的儀器和方法。也只有這樣，我們才能真正在國際上真正成為一個科技強國?！?/p>
與此同時，研發(fā)核心技術(shù)，高水平人才必不可少?！叭瞬挪皇谴髮W(xué)畢業(yè)一下子能成長起來的，而是要在很多高水平的大學(xué)實驗室里成長起來?！边@些人才經(jīng)過良好訓(xùn)練，逐漸成長為技術(shù)研發(fā)人才，在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)中發(fā)揮作用?！拔覀冏鲎杂呻娮蛹す饧夹g(shù)，也是通過學(xué)習(xí)、培養(yǎng)人才，真正把這個方向做起來。”
“光講是沒有用的，要有一批人真正愿意去做。”楊學(xué)明說，除了政策支持，科學(xué)體系需要包容這樣一批科學(xué)儀器研發(fā)者，他也反思什么樣的體制機制能夠更好推動科學(xué)儀器的發(fā)展。
當(dāng)前科研人員的主要考核指標(biāo)是論文?！澳矛F(xiàn)成的儀器做科研當(dāng)然是一個重要方面，但事實上真正的高水平的實驗科學(xué)研究非常需要科學(xué)儀器的創(chuàng)新。”他表示，做復(fù)雜科學(xué)儀器要有較大的團隊和投入，要敢于冒風(fēng)險?！坝羞@樣一種機制和環(huán)境，未來我們在實驗科學(xué)和高端儀器方向才能取得更好的成績。”
楊學(xué)明說，作為科技工作者，也要珍惜國家資源，高度重視研發(fā)科學(xué)儀器的效率和水平，只有這樣才能推動這一領(lǐng)域更好發(fā)展。
