不过

他通过自主研发高精度显微镜技术

看到世界上最小的原子——氢原子

看到了自然界的原子的极限

6月2日，未来论坛青创联盟成员、北京大学博雅特聘教授江颖在未来青年论坛做了主旨演讲，他强调了基础科研的重要性，并给我们带来了带来了一场精彩的主旨演讲《熟悉而又陌生的水世界》，水是我们大家都离不开的物质，但同时也是世界上最复杂的物质之一，江颖教授从水的形态和结构角度为大家详细介绍了对水的研究，该工作发展的实验技术也首次将水科学的研究精度推向了原子层次。他通过自主研发高精度显微镜技术看到世界上最小的原子——氢原子，看到了自然界的原子的极限。他还期望通过对水和冰的微观研究带来更多的产业应用，和其他领域的科学家合作，让水更好的服务于人类。同时他也让我们认识到水是“Soft in nature，but hard in science”。

以下是主旨演讲全程记录：

 今天非常高兴能够有机会跟大家聊一聊大家非常熟悉的物质，就是水。在十年前，我觉得我应该了解水，水没有什么特殊的东西，但在十年之后，我发现水反而变得非常陌生，因为很多科学的意义是非常深。另外，水是世界上最复杂的物质之一。

首先我想举一个例子给大家看看为什么水比较复杂，比如大家知道水分子一般是由一个氧和两个氢组成非常小的分子，实际上经过三年前的一项研究，我们发现水并不是这样的，通常情况下如果简单模拟水，氢氧都具有确定的位置，但你会发现实际并不是这样，氢会在空间有一定密度的涨落，没有确定的位置，氢原子有一定的概率在空间分布，这个来源于所谓的量子力学里不确定性原理或者测不准原理。

我们说水分子有非常强的量子效应，量子效应可以影响水的方方面面，包括结构，也包括很多性质，结果在科学杂志上发表之后，突然之间有很多企业开始制造出一种水叫量子水，我不知道用什么办法，可以把普通水变成量子化的水，对我们的健康或者疾病有很多有益的作用。

我要说此量子非彼量子，完全是概念的炒作和移花接木的东西，我可以很负责任告诉大家，每一位前面放的那瓶水都可以叫量子水，因为量子效应是水本身的属性，不会因为其他外界因素而改变，但是从这个例子大家可以看到，这个水确实是非常复杂，非常奇怪的物质。怎么奇怪？有人统计过水总共有74条反常特性，比如热缩冷涨，还有热水放在冰箱里比冷水更容易结冰，这些现象大家非常熟悉，但是背后的科学道理，实际上有些是非常复杂的，而且74条反常特性我们仅可以了解其中很少一部分，很大一部分仍处于热烈的争论之中。

反常特性为什么这么奇怪？所有的反常都是跟水的结构有关系，大家可以看到科学杂志创刊125周年的时候推出本世纪最具挑战性的125个科学问题，其中一个就是水的结构是什么，水的结构是世纪难题，非常重要，也非常恼人。

为什么水的结构这么复杂？我介绍一个大家听说过的名词叫氢键，有一部分电子从氢转移到氧上去，氢带部分正电，水分子放在一块，带正电的氢可以和负电的氧形成吸引的相互作用，这种吸引相互作用构成氢键的大部分组成，氢键非常怪，也非常有意思，首先是协同性，如果扰动其中一个键，会有很多键跟着它响应，另外它非常灵活，可以很容易打开，也可以很容易断开。再者氢键具有方向性，只有当氢指向氧的时候才会成键，其他时候没有键合。这些非常有意思的特性，让氢键在水结构中扮演着很重要的角色。

所以我们做水科学研究思路很简单，我们必须搞清楚水微观上的氢键结构，这样就有机会理解水的很多反常特性，从而摸清很多脾气，甚至可以改变水的特性，让水来造福人类。这是一个非常简单的思路，也很有挑战性。

举一个简单的例子，大家知道把冰放在水里，冰会浮起来，说明什么？代表冰的密度比水要大，为什么会这样？要深入去想冰到底为什么密度比水大，因为大部分物质的密度固体是比液体大的。还是跟冰的结构有关系，冰里水水分子形成有序的排列，形成正四面体的结构，水和水之间有很大的空洞，空洞的出现就是与氢键相互作用有很大的关系，升温的时候有一部分水会挣脱氢键的束缚，受热运动的快，跑到间隙里面去，这时候大家看液态水的密度明显比冰大得多，再升温的时候所有水分子间的氢键断裂，水和水之间距离变得很大，水和水之间没有任何交流，成为气相，这时候密度又会变小。

大家看到水的液相最为复杂，也是最没有规则的，但有研究表明水并不是完全无序，具有会形成正四面体的有序结构。但过了三十年有科学家站出来说不对，存在的是链状的，形成圈形的结构，但是也有很多质疑说，这个结构也不对，应该形成非常混乱的氢键。大概50、60年的争论一直在进行，液态水的结构没有任何定论。但是似乎哦我们的商家已经搞清楚这个问题了，他们不光了解水的结构，还可以控制水的结构，可以把大分子团的水打散成小分子团，大家知道水要被人体吸收，必须要有一个过程，水要透过细胞膜进入到细胞里面，水透过细胞膜有水通道的概念，这个通道很小，如果水分子团很大，水进不去，把水分子团变得很小，水就畅通无阻，这样新陈代谢加快，各方面的疾病也都可以治疗，是健康水。

虽然商家给出了很多谱学上的证据，比如核磁共振发现这两种水有差别，但是很遗憾的告诉大家，有十多家公司找过我做这个事，迄今为止的实验证据没有给出他们理想的结果，说明大家对水很关注，也非常重要，但要真正弄清楚水的结构并实现控制还很难。

为什么搞不清楚？为什么那么复杂？因为我们看不到水，大家面前的矿泉水，用光学显微镜是看不到水分子，如果我们能想办法把水分子看到，结构不就清楚了嘛，这就是很直接的思路。我给大家介绍一个非常重要的设备叫扫描隧道显微镜，由1982年士IBM的两位科学家发明的，能用这个设备看到表面上的原子，因此他们在1986年获得诺贝尔物理学奖。原理很简单，就是盲人摸象的原理，如果我有一个非常小的手指摸表面，表面原子有起伏，可以通过手的感知反映出来，当然显微镜用的不是手，而是用非常尖的针尖，靠近表面的时候会有非常局域的隧道电流，扫描的时候表面起伏不一样，电流也会大小变化，将电流大小在空间呈现出来就是原子相，如果测量的是力，就叫原子力显微镜，原理基本相通的。

实验仪器：扫描探针显微镜

这是我们搭建的第一台低温扫描针探测显微镜，我们有自己的绝活，这是一个非常有意思的非常小的传感器，叫qPlus原子力传感器，用的东西大家看很复杂，实际并不复杂，就是来自于每个人石英手表里用来计时小的单元，叫音叉，这种显微镜能看到世界上最小的原子，就是氢原子，氢原子是所有元素里半径最小的，质量也是最小的，但是通过很多创新性设计，比如通过高阶静电力，就可以实现对氢原子成像。有人问我能看到水分子吗，水分子和课本上画的是不是一样的，我们看最近的一张图，可以看到有很多“V”形的结构，把水分子放上去，完全和这个结构是吻合的，包括V”形结构的角度和键长跟水分子一模一样，这个就告诉大家，所见即所得，我们确实看到了水分子的内部结构。

扫描探头

扫描探头核心部件：qPlus传感器

(a) qPlus型原子力传感器的实验装置图；(b)具有电四极矩电荷分布的一氧化碳针尖与强极性水分子之间的高阶静电力。

这个图大家应该不会陌生，黑洞，前段时间非常震撼的黑洞照片，这个图片是什么？这个图片是水分子的图，大家看，亮的地方是水分子氧产生的正电场，这个暗环是水分子氢产生的负电场，这两种空间尺度相差二十个数量级的物体，竟然产生高度一致的图象，不得不感叹大自然的精巧。

我下面介绍三个小例子，第一个例子表面结冰，如果飞机机翼结冰，将对飞行安全造成非常大的影响，所以我们必须要在机翼上做很多防结冰的处理，这是非常重要的。第二个是器官的移植，做器官移植必须对器官冷藏，降温的时候如果结冰了，会发生什么现象，器官表面会产生很多尖锐的冰刺，会刺破细胞膜，这是非常致命的一件事情，因此需要防止器官结冰，但是有时候需要促进结冰，人工降雨的时候需要加一种东西（碘化银），可以加速水的聚集和结冰，让大气中的雨掉下来，这是促进结冰。对很多领域都有非常重要的意义。

这是过冷水，把矿泉水快速降到零度以下，水来不及结冰，保持液态，如果把水倒在容器里，发现由于水和界面相互作用，马上就会结冰，这告诉大家界面对冰的形成有很重要的作用。能不能用显微镜看一看冰的结构呢？这是北极很厚的冰层，如果用我们的显微镜放大会看到所有的水分子都排成非常有序的六角形的蜂窝状结构，这个跟石墨烯非常相似的，这是由于水分子之间有相互作用，三个水分子是立着的，三个水分子是躺着的，而且可以这种六角结构长成无限大，形成很有意思的结构。

六角冰有两种边界，一个是Armchair，一个是Zigzag。下一步可以通过拍照，看冰怎么生长的，把照片拼起来，最后可以把冰怎么形成的过程重现出来，比如Zigzag边界，最开始形成单个的五圆环，形成一个个桥墩，最后通过搭桥回到初始的六圆环结构，从微观上不光能看到冰的结构，还能看到冰怎么生长，这个有什么用？有人经常问我你这个研究到底有什么用，能不能产业化，能不能跟真正做应用的人有合作，这里有个简单的例子，我们跟做材料的化学家合作，发现在了解了冰的结构和生长规律之后，可以调控表面的结冰过程，比如把材料涂成防止结冰的材料，冰生长的时候，离开表面生长，不是平的生长。

下面这个是促进结冰的材料，冰是躺着生长，所有冰趴在表面。如果拿风一吹，上面的冰全部被吹跑，下面的冰，不管怎么吹，都掉不了，结合的非常紧。所以通过基础科学的发现，确实可以帮助产业应用做一些探索研究。

第二个例子，大家可能更熟悉了，就是盐溶液，把一勺盐放到水里盐就没了，被溶解了。微观上水分子把钠离子往外拽，拽的过程叫离子水合，这个过程一百多年前就有科学家提出来，但是一直没有人真正看到过，有没有离子水合物的存在，离子周围水怎么排列，都没有确定的答案。我们去年在《自然》杂志发表文章，确实把离子水合物看到了，看到钠离子周围有不同水结合的时候有不同的构型，还发现有些离子水合物在表面上像疯了一样扩散，具有非常反常的扩散速度，放大会发现离子周围有三个水分子帮助它。

水与盐离子的相互作用形成离子水合物

离子水合物的原子级分辨成像

（从左至右，依次为五种离子水合物的原子结构图、扫描隧道显微镜图、原子力显微镜图和原子力成像模拟图。图像尺寸：1.5nm×1.5nm。）

这说明特定的水分子数目还可以大大增强离子的扩散能力，好象离子装车轮一样，在表面上加速行驶，这是非常有意思的微观的现象，我们称之为幻数效应。能做什么？这个事情和生物很相关，大家知道生物离子通道，钾离子、钠离子被人体吸收必须经过生物通道，这个通道非常小，非常窄，很有意思的是离子通过通道的速度反而是非常快，大家想如果通道很狭窄，要想通过通道是很困难的，但是对离子来说非常快，而且比外面没有通道的时候还要快，这告诉大家有可能因为离子周围结合了特定数目的水分子，从而帮助离子快速通过通道。

钠离子水合物在NaCl表面输运的幻数效应效果图，其中包含3个水分子的钠离子水合物具有异常高的扩散能力（“幻数”为3）。

最后一个例子，更接近大家的生活，就是能源，水作为能源来说，大家很早知道。传统能源是水力发电，大家是非常熟悉的，最近大家关注的是氢能，水如果能分解成为氢气，把氢气通过燃烧释放能量，再变成水，水又被重复利用再分解成氢气，因此水可以循环使用的非常高效的非常清洁的能源。水解制氢有很多途径，把水通电，就会在正级产生氧气，负极产生氢气。但有两个缺点，首先电极材料一般是贵金属Pt，非常昂贵，第二要消费很多电能，不太经济，商业化有困难。最近我们跟做材料的科学家合作，发现很有意思的现象，我们发现有一种二维材料（二硫化钼），在相边界的地方对水的分解效率和产氢效率可以接近铂金属，而且非常低廉，有很大的潜力替代铂电极从而降低水解的成本。

电解水制氢

江颖实验室自主研发的超高真空扫描隧道显微镜

第二个途径是催化反应，这时候不光要水，还要加入别的物质，在催化剂的作用下让水分解，比如水和甲醇混在一块，加入催化剂，就可以原位产氢。还有最近大家很关注的水氢汽车，也是一样的道理，把水跟铝放在一块，加入催化剂，产生氢气。

但这种催化反应一般需要高于室温的温度，需要消耗其他的反应物，而且还会产生其他的反应副产物，这些副产物往往阻止进一步反应，有很大的弊端。最近大家发现可以用太阳光照射催化剂，利用催化剂产生的电子和空穴将水分解产生氢气。这个过程非常有意思，首先室温下就可以发生，第二催化剂成本非常低。第三个没有副产物，就是水加催化剂，打光就产生氢气了，但是最大的问题是效率太低。最近大家在想能不能学习自然界中的光合作用，就是自然界用太阳能来完成化学反应的例子，我们能不能学习光合作用，设计并合成仿生材料来提高催化剂效率，或者利用水的量子效应提高水解效率。

最后水在生命体中也发挥着很重要的作用，比如可以影响蛋白质折叠，离子的传导、酶催化反应等等，这是现在水科学领域非常希望解决的问题，也是我们课题组正在拓展的方向。

结束语，希望大家记住一句话，水是Soft in nature,but hard in science,水非常软，我们叫水是软物质，但是在科学上是非常硬，是块硬骨头，我们必须要发展很多很先进的实验技术和理论方法，希望最后揭示更多水的奥妙，让水更好为人类的生活和生产服务，谢谢大家。

更多未来青年论坛嘉宾分享内容可以查看直播回放