·“在實驗科學領域，科學儀器做不好，很難超越別人，永遠只能跟著別人走。想做好的實驗科學研究，唯一的辦法就是要先把科學儀器做好，掌握核心技術?！?/span>

·“我很自然地選了物理化學學科，物理化學絕大部分的理論基礎是物理。原子分子、化學反應，這些實際上都可以講成是物理的，化學反應遵循的最重要的基本原理就是量子力學。”

楊學明

尋找反應共振態(tài)一直是化學反應動力學研究一個備受關注的重要課題，它提供了實驗直接觀察化學反應在飛秒級過渡態(tài)附近行為的契機。

8月21日，中國科學院院士，南方科技大學副校長、講席教授，中國科學院大連化學物理研究所研究員楊學明因其研發(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儀器，揭示了化學反應中的量子共振現象和幾何相位效應的成就，獲得未來科學大獎“物質科學獎”，單項獎金675萬元人民幣。

出生在浙江省德清縣一個小村莊，熱愛化學的楊學明高考后進入物理專業(yè)?；瘜W沒念夠，懷著對化學的向往考研，從此叩開物理化學的大門?！拔锢砘瘜W絕大部分的理論基礎是物理。原子分子、化學反應，這些實際上都可以講成是物理的，化學反應遵循的最重要的基本原理就是量子力學。”

在美國做博士后時期，楊學明換跑道進入科學儀器領域，找到了堅持至今的科研方向：發(fā)展新的科學儀器，從事化學動力學領域最尖端的實驗科學研究。“在實驗科學領域，科學儀器做不好，很難超越別人，永遠只能跟著別人走。想做好的實驗科學研究，唯一的辦法就是要先把科學儀器做好，掌握核心技術?！?/p>

已到耳順之年的楊學明仍在履行自己的科學使命。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，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。

“做實驗科學的科學家，是永無止境地在找新的工具、新的方法?！睏顚W明對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）表示，X射線自由電子激光是基于國際最先進的超導加速器技術研發(fā)的裝置，對于未來產業(yè)發(fā)展和基礎科學應用有重要作用。能夠推動這樣的裝置在深圳落地，有助于推進大灣區(qū)的基礎科學和應用科學發(fā)展。

楊學明也對澎湃新聞（www.dbgt.com.cn）表示，當我們走在科研前沿，需要自己趟一條路出來，堅持是重要的?！澳阌X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自信發(fā)展的道路。

飛秒級的化學反應過渡態(tài)如何觀測？

自20世紀30年代化學反應過渡態(tài)理論提出以來，化學動力學研究取得了多個里程碑式的進展，并多次獲得諾貝爾化學獎。

楊學明開發(fā)了新一代高分辨率和高靈敏度的交叉分子束科學儀器，在基元化學反應動力學研究領域，尤其是化學反應共振態(tài)、化學反應中的幾何相位效應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技術，通過高分辨的散射實驗與精確理論研究相結合，揭示了多類化學反應共振現象，大力推動了在量子水平上化學反應過渡態(tài)的研究。

此外，他還發(fā)展了高分辨的交叉分子束反應成像技術，首次在實驗上發(fā)現了化學反應中的幾何相位效應以及自旋-軌道共振分波之間的量子干涉現象。

楊學明獲獎理由

過渡態(tài)理論即活化絡合物理論，該理論認為，反應物分子并不只是通過簡單碰撞直接形成產物，而是必須經過一個形成高能量活化絡合物的過渡狀態(tài)，并且達到這個過渡狀態(tài)需要一定的活化能，再轉化成生成物。過渡態(tài)是反應物體系轉變成產物體系過程中經過的能量最高狀態(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。

“每個化學反應過程都是很特別的，控制化學反應最重要的過程就是過渡態(tài)?！睏顚W明表示，過渡態(tài)特性是化學反應動力學研究非常重要的課題?；瘜W反應動力學研究的一個根本任務是認識反應過渡態(tài)如何控制化學反應的速率和產物分布，因此，長期以來直接觀察反應過渡態(tài)被認為是化學科學研究中的一個“圣杯”。

但對于多數化學反應來說，反應過渡態(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反應過渡態(tài)是極其困難的。

反應共振態(tài)是化學反應體系在過渡態(tài)區(qū)域形成的具有一定壽命的準束縛量子態(tài)，類似于分子中的光譜所對應的振動轉動態(tài)。它提供了一個實驗直接觀察化學反應在過渡態(tài)附近行為的契機，進而可以利用共振態(tài)對化學反應的一些細節(jié)開展詳細研究。

尋找反應共振態(tài)一直是反應動力學研究的一個備受關注的重要課題?！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，然后跟動力學理論相結合，詮釋這些量子態(tài)各種各樣的特性，如能量、壽命和波函數等，使我們對化學反應過程真正能夠從量子層面上了解得非常透徹?！?/p>

楊學明發(fā)現產物量子態(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共振態(tài)的利器。

與理論學家張東輝院士合作，楊學明還揭示了“物理化學家們長期尋找的化學反應共振態(tài)的 ‘新機理’——化學鍵軟化”，“這項研究大大擴展了我們對化學反應共振現象的認識和理解，為今后的反應共振態(tài)研究指明了一個新的方向?！彼奶岬?。

與此同時，幾何相位效應是一種特殊的量子現象，在物理和化學領域有廣泛和特別的應用?！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反應中的幾何相位效應，而且能夠用幾何相位效應研究化學反應非常特殊的機理。”

楊學明和中國科學技術大學教授王興安等人曾自主研制了一臺獨特的結合閾值激光電離技術以及離子速度成像技術的交叉分子束反應動力學研究裝置，使得實驗上獲得的氫原子產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反應的全量子態(tài)分辨產物速度影像，并在實驗上觀測到轉動態(tài)分辨的H2產物前向角分布快速振蕩結構。研究人員揭示了幾何相位在化學反應中獨特的作用以及幾何相位效應的物理本質，相關成果于2018年12月在線發(fā)表于《科學》雜志。

叩開物理化學大門，換跑道進入科學儀器領域

“我在學術發(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，楊學明出生在浙江省德清縣一個小村莊。中學時期受到化學老師的啟蒙熱愛化學，但這門熱愛的學科并未在高考時眷顧他，“高考的時候化學沒有考得很好，物理考得特別好。”1978年，16歲的他考入浙江師范學院物理系。

大學快要畢業(yè)，未來到底該走往何方？楊學明自然而然又想到了化學，“我感覺化學我沒有念夠，所以要去念化學?！彼肟佳?，量子力學是必考課題，但這門課被排在了最后一個學期，“所以我就很急?！?/p>

教量子力學課程的李鶴年老師建議他自學，“他說如果我自學考過了，最后一個學期就不用上了，這也逼著我去自學?！弊詈笙道锏目荚囈餐ㄟ^了。楊學明回憶起來，這個自學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了，考得也還可以，考上了。”

1982年，楊學明順利考上中國科學院大連化學物理研究所。20歲走出浙江，從物理轉到化學研究，成為中國著名化學家張存浩和朱時清教授的學生，也叩開了物理化學的大門。

楊學明說自己是幸運的，物理擁有一套嚴格的理論體系，物理思想是非常嚴謹的，而他經過物理專業(yè)訓練后轉入化學專業(yè)，感悟到了不一樣的化學。從交叉學科發(fā)展來講，可以從不同角度研究，甚至進入另一個學科，有了更多新機會去發(fā)現別人或許不太關注的科學問題。

“我很自然地選了物理化學學科，物理化學絕大部分的理論基礎是物理。原子分子、化學反應，這些實際上都可以講成是物理的，化學反應遵循的最重要的基本原理就是量子力學。”

1985年拿到大連化學物理研究所的碩士學位后，他前往美國加州大學圣巴巴拉分校化學系攻讀博士。1991-1995年，他在美國普林斯頓大學、加州大學伯克利分校從事博士后研究。

外人看來一帆風順的科研道路，楊學明自覺也有困惑的時刻。在大連化學物理研究所、加州大學圣巴巴拉分校以及普林斯頓大學時期，他學的都是分子光譜學。當在普林斯頓大學做完博士后，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。剛好加州大學伯克利分校的機會在眼前，他想試試利用先進光源，研發(fā)化學動力學的科學儀器?！拔野l(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。我想如果去做科學儀器，就算不是那么成功，也可以學會做高水平的科學儀器，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。”

從普林斯頓大學轉到加州大學伯克利分校，他開始學習利用計算機輔助設計，設計先進的科學儀器，并利用先進光源的方法研究化學動力學。楊學明做好了少發(fā)論文的準備。在普林斯頓大學一年多時間發(fā)了十多篇論文，而在加州大學勞倫斯伯克萊國家實驗室的兩年半時間，他只做了一套復雜的分子束科學儀器，只發(fā)了幾篇論文。

但也正是因為這次轉折和經歷，楊學明找到了堅持到現在的科研方向：發(fā)展新的科學儀器，從事化學動力學領域最尖端的實驗科學研究。

“絕大部分人在做科學時都要面對研究方向的選擇，很少有人一輩子在一個領域做相同的事情?！睏顚W明的經驗是，即便換跑道也不要放棄以往基礎，而是利用以往基礎開拓感興趣的新方向。

“我特別喜歡做儀器做設計，那個時候用電腦做設計是比較新興的，我覺得這個方向特別有意思。畫出設計圖紙，然后做成自己想要的科學儀器，很有成就感。所以我就義無反顧地做了這件事。”

科學儀器做不好永遠只能跟著別人走

“如果我做科學儀器，從來不做跟別人一樣的。如果我要做一個科學儀器，我必須要說服自己，我的科學儀器做成之后，能對這個領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>

楊學明研發(fā)的十多臺套科學儀器都遵循這樣的原則，這些儀器也是他馳騁學術戰(zhàn)場的利器。楊學明長期從事氣相與表面化學反應機理和動力學研究，自行設計研制和發(fā)展了一系列具有國際領先水平的科學儀器, 并利用這些先進科學儀器在化學反應動力學領域取得了系列性的重要研究成果。

他在美國普林斯頓大學、加州大學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中的應用。“那個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，楊學明回國后和中國科學院上海應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，分子反應動力學國家重點實驗室、大連光源科學研究室研究員江凌和中國科學院院士楊學明團隊與清華大學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)現了多個棱柱狀和籠狀結構，為揭開液態(tài)水至微冰的氫鍵網絡演化機制提供了新的思路。

大連相干光源也就是楊學明領導研發(fā)建設的“基于可調極紫外相干光源的綜合實驗研究裝置”，這一裝置持續(xù)產出重量級成果令他興奮。

“做科學儀器的人往往并不是特別受重視，但沒有新科學儀器的發(fā)展，在實驗上很難做出有重要意義的工作?！睏顚W明認為，實驗科學的發(fā)展如果沒有新的科學儀器，很難做到真正的國際領先?！皩嶒灴茖W的發(fā)展要發(fā)現和探索新的現象，而用老舊的儀器很難看到新的現象?！?/p>

“在實驗科學領域，科學儀器做不好，很難超越別人，永遠只能跟著別人走。想做好的實驗科學研究，唯一的辦法就是要先把科學儀器做好，掌握核心技術。”楊學明呼吁大幅提升對技術的重視程度，加大科學儀器研制的投入。當前我國先進科學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儀器做不好，很難真正做到科學自立自強。

“所以我們要鼓勵年輕人和學者勇于發(fā)展自己的技術和先進儀器，特別是做實驗科學，不要限于從一個儀器上拿到數據就夠了，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，高水平人才必不可少?！叭瞬挪皇谴髮W畢業(yè)一下子能成長起來的，而是要在很多高水平的大學實驗室里成長起來?！边@些人才經過良好訓練，逐漸成長為技術研發(fā)人才，在關鍵技術研發(fā)中發(fā)揮作用?！拔覀冏鲎杂呻娮蛹す饧夹g，也是通過學習、培養(yǎng)人才，真正把這個方向做起來?！?/p>

“光講是沒有用的，要有一批人真正愿意去做?！睏顚W明說，除了政策支持，科學體系需要包容這樣一批科學儀器研發(fā)者，他也反思什么樣的體制機制能夠更好推動科學儀器的發(fā)展。

當前科研人員的主要考核指標是論文。“拿現成的儀器做科研當然是一個重要方面，但事實上真正的高水平的實驗科學研究非常需要科學儀器的創(chuàng)新。”他表示，做復雜科學儀器要有較大的團隊和投入，要敢于冒風險。“有這樣一種機制和環(huán)境，未來我們在實驗科學和高端儀器方向才能取得更好的成績?！?/p>

楊學明說，作為科技工作者，也要珍惜國家資源，高度重視研發(fā)科學儀器的效率和水平，只有這樣才能推動這一領域更好發(fā)展。