杨学明院士：做世界上独一无二的原创科学仪器

【蜂耘网   仪器仪表】“我不太喜欢和别人做一模一样的事情。从自己独特的角度出发，这对科学的发展尤其自己的研究特别重要。”

 

遵循内心坚持的“原创”精神，南方科技大学副校长、中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员杨学明带领团队自行研制了一系列科学仪器，并在化学动力学领域取得多项突破性科研成果。

 

2022未来科学大奖周刚刚落幕。今年的未来科学大奖“物质科学奖”授予杨学明，奖励其研发新一代高分辨率和高灵敏度量子态分辨的交叉分子束科学仪器，揭示了化学反应中的量子共振现象和几何相位效应。

 

杨学明在交叉分子束仪器旁边。中科院大连化物所供图

 

大学曾自学量子力学，读硕士期间“换跑道”研究化学

 

1962年，杨学明出生在浙江省德清县一个小村庄。初中时，他读书勤奋，理科成绩出色，并经常为同学补课。从那时起，他就展露出了非比寻常的学习能力。

 

中学时代，在化学老师的启蒙之下，他对化学产生了浓厚的兴趣。然而高考时，他的化学科目考得一般，物理成绩却高达95分，就这样，16岁的他考入浙江师范学院物理系。

 

在大学里，杨学明打下了坚实的物理基础，并萌生了考研究生的想法。当时，量子力学是考研的必考题，但课程排在了最后一个学期。他必须自学这门颇有难度的课程，考研才有胜算。在自学过程中，老师为了鼓励他，给他出了一张卷子，如果考试通过，就可以免修量子力学这门课。最终，杨学明不仅通过了考试，也顺利地考入中国科学院大连化学物理研究所（以下简称“大连化物所”），攻读硕士研究生。

 

这件事给了杨学明极大的感触和启发，在他看来，自学能力是今后开展研究的必要技能。

 

在大连化物所，杨学明回归兴趣“初心”，选择了化学激光专业。尽管自称没学够化学，但最初从物理转换到化学研究，他也曾历经不适，“物理和化学的‘语言’是不一样的。但我很幸运走上了这条道路，这对我的科学生涯发展产生了非常深刻的影响。”

 

他总结，学习物理会让人加深对事情本质的理解，物理的思维也是很严谨的，学完物理再去学化学，他对化学有了不一样的理解和感悟，能够从交叉角度看学科的发展，使他有更多新的机会，找到别人或许不太关注的科学问题。

 

1985年硕士研究生毕业后，杨学明远赴美国加州大学圣芭芭拉分校攻读博士。1991年至1995年，他在美国普林斯顿大学、加州大学伯克利分校从事博士后研究。在此期间，他意识到在自己所学的分子光谱学领域“找不到特别感兴趣的方向”，同时也领悟到先进的科研仪器对实验化学物理基础研究的重要作用，于是“换跑道”，集中精力研制科研仪器，转向化学反应动力学研究。“在这个过程中，不要把以前所学的东西抛掉了，要利用以前的基础，找到未来感兴趣的方向。”

 

2001年，杨学明接受母校中科院大连化物所时任所长包信和的邀请，回到祖国工作。

 

主持建成“全球最亮极紫外光源”

 

在距离大连市中心100公里的小岛“长兴岛”上，基于可调极紫外相干光源的综合实验研究装置（又称“大连相干光源”）每天24小时运行，许多国内外科学家来这里申请机时开展研究。“它确实是非常独特的光源，是世界上唯一工作在极紫外波段的自由电子激光装置。”杨学明说。

 

2018年，杨学明主持建成的大连相干光源通过验收，被喻为“照亮微观世界的超快超亮极紫外闪光灯”，这一“闪光灯”可准确捕捉到分子、原子等微观粒子在化学反应中的动态影像。

 

谈及研究的初衷，杨学明说，自己在美国做博士后时，从事同步辐射光源在化学中的应用研究，感觉到同步辐射光源的亮度不够，达不到做很多化学动力学实验的需求。他当时就希望研制一个高亮度极紫外自由电子激光光源。回国后，他积极推动自由电子激光技术的发展和应用。

 

自由电子激光是近年来国际科技界飞速发展的一类重大科技基础设施，被称为“第四代先进光源”，具有超高亮度、超短脉冲、全相干等优异特性，借助这些优异性能，科学家可以在全新的时间尺度和空间尺度上理解自然过程，开辟一个从未被探索的世界。

 

而极紫外区域光源是探测分子、原子及其外壳层电子结构最重要的光子能量区域，有助于科学家在原子、分子水平上开展一系列重大科学问题研究，对能源、化学、物理、材料以及光刻技术等领域都具有显著的应用。

 

“从科学发展史上看，科学仪器的研制特别重要。以前人们觉得太阳是绕着地球转的，因为人们的直觉是这样的。有了天文望远镜以后，科学家通过观测才首次意识到，地球是绕着太阳在转。”他说，实验科学没有最好的仪器和方法，就做不到国际领先，永远只能跟着别人走。“长期以来，我们最先进的科学仪器大多是在国外购买的，这使得我们的科技硬实力落后于别人。”

 

杨学明认为要想做好的实验科学研究，就要先把科学仪器做好，掌握核心技术。然而，研发科学仪器并非易事。

 

2014年冬天，长兴岛园区建设起步，水电等设施不全，也没有暖气，杨学明成了第一个来这里入驻和“装修”的人。很多想法真正实施起来困难超乎想象，但他还是带领团队打拼，完成了大连相干光源主要基建工程和主体光源装置的研制。值得一提的是，大连相干光源中90%的仪器设备均由我国自主研发。

 

如今，大连相干光源正持续产出重量级成果。就在今年，科研人员利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，在类冰中性水团簇七聚体中发现了多个棱柱状和笼状结构，为揭开液态水至微冰的氢键网络演化机制提供了新的思路。最近，研究人员发现极紫外自由电子激光可以用于小分子药物和生物大分子相互作用研究，为新药研制提供了新的工具。

 

建议推动高端科研仪器发展

 

2017年11月，杨学明担任南方科技大学理学院院长，参与理学院的发展和建设。目前，他正在推动我国新一代高重频自由电子激光装置的发展，推进软X射线和极紫外自由电子激光计划。

 

杨学明说，自由电子激光是基于常温加速器的装置，但常温加速器的技术有一定限制性，散热能力不强，所以每秒能够承受电子束脉冲的能力比较低，只能产生大约100个脉冲，很难产生平均亮度非常高的光源。

 

过去十年，超导加速器的发展使加速器技术有了很大进展，超导加速器的优势是加速电子产生的热量少，每秒钟加速电子束的频率可以大幅提高，从100赫兹变成100万赫兹，平均亮度乘1万倍。这使得发展高亮度的极紫外和X射线光源成为可能。

 

“这也是我们在下一代高重频自由电子激光最重要的核心技术。”他说，这一国际领先的装置亮度很高，在能源、材料、半导体加工等方面将有重要应用，“使我们做一些别人做不了的研究工作。装置未来在深圳落地，将对大湾区的基础科学、应用科学和平台建设发挥很大的推动作用。”

 

实现这一目标充满难度和挑战，但杨学明抱有极大的耐心和热忱。

 

杨学明研发的大科学仪器，是从个人的研究兴趣出发，希望得到解决重要科学问题的工具，也希望这样的科学仪器助力解决国家重要的卡脖子技术。但他也关注到我国科研仪器研发底子相对薄弱的现象。作为全国人大代表，杨学明近几年来也在两会上呼吁加强国产高端科研仪器的研发和大科学设施的发展。

 

他坦言，做科学仪器对科学家来说，其实是很吃力的一件事情，科学仪器是科学和工程相结合，科学家也要面临争取较大经费的难题。

 

未来应该如何促进原创科学仪器的设计研发？杨学明认为，要有鼓励的政策环境和资源，科学体系里也应能容纳这样一批专门做仪器研发的人。“现在的考核体系大部分是看发表文章，这就导致大家倾向于使用现成的仪器做研究写文章。但真正的科学是要有仪器上的创新，这才能更有利于推动科学的发展。科学仪器就是一个国家科技硬实力的代表。”

 

他指出，要注重科学仪器的效率问题，真正发挥发展原创性科学的作用。同时，要通过科学仪器的研发培养人才。在他的研究组里，很多学生都有拆装仪器、设计和研制仪器的经验，“我们迫切需要培养更多的高水平的科学仪器研发人才。”

 

对话杨学明：研发科学仪器要注意集成问题

 

新京报：你因揭示了化学反应中的量子共振现象和几何相位效应的成就获得未来科学大奖物质科学奖，请解读这项研究的背景和意义。

 

杨学明：每个化学反应过程都很特别，从反应物到产物有一个过渡的状态，就是过渡态。20世纪30年代，Eyring和Polanyi提出化学反应过渡态理论，即化学反应的关键在于理解其短暂的过渡态，在这千万亿分之一秒内，原子之间旧键断裂，新化学键形成。

 

这个过程决定了它属于哪种化学反应、反应速率有多快、生成哪种产物。这是化学动力学研究中最重要的课题。直接观察反应过渡态被认为是化学研究中的圣杯。7名化学家因开发了阐明这些过程的科学工具和实验，分别在1967年、1986年、1999年获得诺贝尔奖。

 

过渡状态也有一些特别的量子态存在，对化学反应有非常重要的影响。我们的工作就是发展新的实验方法，观测这些量子态的特性，结合理论诠释它们，使我们从量子层面对化学反应过程了解得更透彻。

 

几何相位效应是一种特殊的量子现象，在物理和化学领域有广泛和特别的意义。我们通过新的实验方法和实验仪器的发展，首次在世界上观测到了化学反应中的几何相位效应，从而研究化学反应非常特殊的机理。

 

总的来说，这些工作是非常基础性的，化学动力学本身就是基础性的学科。这些工作的意义也并不是在某一个反应上，而是具有普遍的意义。对基本化学过程的理解，也能推动具体应用领域的发展，比如大气化学、燃烧化学、星际化学等。

 

新京报：由于有了一系列自行研制的原创科学仪器做支撑，你带领团队在化学动力学领域取得了很多重大科研成果。在研制科学仪器时曾遇到什么困难，如何攻破？

 

杨学明：我研制科学仪器，通常是想得很透了再去做。因为我们做仪器不容易，首先要筹措一笔经费，还要想办法做出好的仪器，解决想要研究的科学问题。这个过程中有很多挑战，包括技术性的挑战。

 

所以首先要提出非常好的设计方案，方案中提出关键的问题，比如技术性能，所以要对技术的前沿有充分的了解，比如技术发展到了什么水平？我们能用到什么水平？这是最关键的问题。

 

每个仪器都不一样，怎么来凸显我的仪器的独特性和先进性，要能做其他人做不了的实验，这也是研制仪器之前就必须要想好的。后续研制也遇到过很多问题，比如超高真空、激光技术等问题，每一个都需要去攻克，这样才能做出世界最好、真正领先的科学仪器。需要注意的是，单项技术虽然很重要，但更关键的是把各种技术集成做好，因为现在的科学仪器是非常复杂的，是各种先进技术的集合。

 

研发科学仪器是系统工程，而最重要的需要与科学问题紧密结合，真正把技术和科学结合起来，这样才能做出世界一流的科学仪器。

 

新京报：你在大学有自学量子力学的经历，对现在的年轻学子，你有哪些学习方法和经验可以分享？

 

杨学明：我认为自学能力的培养特别重要，年轻人在大学学习或者研究生学习时要有这样的精神，而不是所有知识的获得都依赖老师。随着互联网的发展，大家获得知识的渠道更加丰富、方式也更加便利，应该充分利用这样的环境去学习和探索，人的发展是累积的过程。

 

我在读研究生的时候，导师张存浩院士给了我一个非常好的建议——刚开始读研时，要花95%的时间做课题方面的研究和学习。但慢慢地，也应该多花一点时间涉猎一些别的方向，这样才能扩大自己的视野，对更多学科有更好的理解和把握，也会大大帮助自己的研究方向。我认为这非常有道理，多年来，我受益于这样的思想，从更宽的视野和学科角度来认识化学和物理世界。

 

（蜂耘仪器仪表网  责任编辑：江吟)