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西湖大学王鸿飞教授:用最强的激光,“照亮”最弱的信号
人物故事
徐珊 公共事务部 2021年10月21日
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在表面界面与凝聚相物理化学实验室中,每一道从激光仪中发射出的绿色激光“闪电”,都将步入一座座由西湖大学理学院王鸿飞教授带领的团队所精心设计与构造的“棱镜”迷宫。当它们按照设定好的角度走完这趟旅程,即穿梭、折射、再穿梭、再折射……最终,就将抵达这趟精密旅程的最终点:此次实验所需要研究的某一界面样本。

在那里,激光将与这个视觉上薄如蝉翼的平面产生相互作用,形成光谱。通过测量并分析光谱,我们就能深入地了解这些“面”的性质。

通常,这样的“面”在实验中,看起来只是一块人类指甲盖左右大小的“平面”,但它其实在我们的生活中无处不在——脚下的土壤,空气中的气溶胶,日常使用的电子产品的电池、化妆品……但凡一种物体和另一种物体接触的地方(比如空气),都形成了界面。

王鸿飞教授的研究,正关注着这些普遍存在的界面。在实验室拍摄照片时,他闪现了一个灵感。他告诉了我们一句话,一句概括他们实验室研究的绝佳比拟:“我们在用最‘强’的光,检测最‘弱’的信号。”


研究:让超快激光,成为我们在微观界面上的探路者

王鸿飞在西湖大学官网的个人主页,是这样解释他的课题的:主要开展以表面、界面和凝聚相超快和非线性光谱与动力学相关的现代物理化学和化学物理方面的研究。这句高深莫测的话,或许会令很多非该研究领域内的人摸不着头脑;这时候,就该使用王鸿飞本人给出的“友好版”解释了。

“我的研究方向其实蛮简单的,就是用超快激光和非线性光谱学(研究手段),来研究表面和界面(研究对象)。也就是说,把特别快的激光‘打’到界面上,让它和构成界面的分子,发生相互作用;然后,通过测量得到的光谱,我们能够研究这些界面的结构相互作用,及界面上所发生的运动。”

当然,要理解这段话,还需要明白几个概念。首先,什么是“超快激光”?王鸿飞举了个例子,人的眼睛眨一下,用时大概是0.1秒;但如果我们要去拍摄并看清楚一个快速运动的对象,就需要特别“快”的快门,来捕捉瞬间的景象。这个原理,在分子的世界同样适用——分子碰撞、运动频率大约为每10 -12秒(即一皮秒,等于0.000000000001秒)一次,所以,就需要“派出”比它行动更快的激光,即“超快激光”,来“赶上”这些在快速运动中的分子,从而在瞬间与这些界面产生反应。因此,“速度”(脉冲宽度)在10 -12秒的激光,以及“速度”(脉冲宽度)在10-15秒的飞秒激光,就是理想的“探路者”——即“超快激光”(也就是他所述的最“强”的光)。

实际上,王鸿飞团队在实验中一般会同时“派出”两位“探路者”——较之传统的单束激光,他们会把“速度”为几十飞秒(一飞秒等于一秒的一千万亿分之一)的激光,与“速度”为一百皮秒的激光相结合,同时与分子界面发生作用。这种实验技术方法,名为和频振动光谱,它的最大优势是能够选择性地测量界面分子的光谱。

当你需要研究某一界面,比如溶液和空气之间的界面,你的目标是获得且只获得这层“面”的分子的信号,而界面上的分子数目很少,是远远小于溶液中的分子数的——此时,如何仅仅让界面给出信号反应,溶液不给出反应?这时候,就需要和频振动光谱了。由于界面上的分子,受到界面两侧不一样的作用力,会产生一个不对称力,并且有一定的取向;而溶液中的分子是随机分布的,并没有这样的取向。基于这一原理,和频振动光谱就能“专门性”地捕捉界面上“微弱”的分子信号(也就是他所说的最“弱”的信号),生成界面的光谱。

这种研究方法,可追溯到上世纪80年代中期,美国加州大学伯克利分校的华人教授沈元壤,第一次将和频振动光谱应用在了界面研究之中。迄今,这个诞生不到四十年的领域一直还处在发展之中。而1988年从中国科学技术大学化学物理系本科毕业后,王鸿飞前往美国哥伦比亚大学化学系攻读物理化学博士学位,在博士研究生期间,他便接触到了和频振动光谱技术。王鸿飞说:“我比较幸运,进入这个领域比较早,并且它还远远没有发展到头;所以,我没有经常性地变换领域,我的主要研究方向是一直延续的;当然,我们研究的对象和方法及技术是有变化的。”

事实上,和频振动光谱这个研究方向,直到如今也是研究门槛比较高的领域。据王鸿飞估算,全世界在从事这个方向的独立PI大概仅有三五十人,算上博士研究生,总群体人数至多三五百人。然而,这却是一个举足轻重的研究领域,王鸿飞如是诠释它的重要性:“界面普遍存在于我们的生活中,比如大自然中的水和土壤的表面,又比如生物膜。灵敏的和频振动光谱,能够选择性地对这个比单层密度还小的‘面’展开研究,所以它有很多可应用的前景。”


经历:执着科研理想背后,是“随机”触发的人生

即便在这个人数不多的群体之中,王鸿飞的团队也依然是其中更为“冷门”的一支——比起应用,他们更注重于发展这种技术本身。“我们的工作,就是研究好和频振动光谱这一套方法,包括怎么精确地测量,如何精确地分析。有了这个方法,大家也就有了研究界面的工具,就可以拿它去检测不同的界面。我们做工具,就好比在制造斧头,现在斧头其实都有了,但是可能不够好的斧头只能砍小树,对大树而言,你会需要更好的斧头;那么我们就是在精进,在追求做更好的‘斧头’。”王鸿飞解释说。

这背后所蕴藏的,正是这名从事科研三十余年的工作者的切身感悟。他说:“其实最重要的科学,就是要发展新的方法和工具(理论和仪器相结合),这样才能做原创性的东西,发现以前不知道的东西——也就是,用更好的工具,看到原来‘看不到’,甚至不知道我们能够‘看到’的东西。”

但凡与王鸿飞交流过科研理念的人,都会不自主被面前这位优雅从容的教授所感染——他娓娓道来的言语中,饱含着理想、坚持与笃定。你很可能会因此假设,这一定是一位特别有想法,在人生道路上“说一不二”的科学家。

然而与实验室中每一道经过预先精确设计和规划的激光大大不同,王鸿飞自己的人生,可以说完全是他凭着自己的天性“随机”出来的——尽管他的履历十分瞩目:本科毕业于中国科学技术大学化学物理系,在哥伦比亚大学取得物理化学博士学位后,于美国宾夕法尼亚大学化学系及物质结构研究所和杜邦公司Marshall研究所从事博士后工作;1999年至2009年间,任中国科学院化学研究所研究员,期间曾任化学所分子反应动力学实验室主任和分子反应动力学国家重点实验室副主任(2000-2004);2009年到2017年,在美国能源部西北太平洋国家实验室环境分子科学研究所(EMSL)和物质与计算科学部(PCSD)任职主任级科学家(Chief Scientist);2017年入职复旦大学化学系任教授,复旦大学特聘教授;如今,全职受聘于西湖大学理学院任正教授,研究与教学方向为实验物理化学与化学物理。

为什么说是“随性而为”?比如,在专业的选择上,高考填志愿时,这位来自四川成都的少年,只因为物理、化学、数学都喜欢,当时看到了“化学物理”这个专业名字,就猜测这个专业“又有化学又有物理,化学和物理又都会学到数学”。抱着对理科的浓厚兴趣,这位四川省崇州市崇庆中学的高中生,选定了中国科学技术大学的这个专业,并因为这个小小的猜想,才意外踏上了坚持至今的基础研究的道路。

又比如,看到王鸿飞在中国与美国知名院校与研究机构之间来回“迁徙”的经历,多数人会认为这是一位有着超强规划的成功人士。但根据王鸿飞的解释,这些“移动”背后却没有太强烈的抉择:“其实我没有选择过,我唯一做过的一个选择,是去美国读博士,因为他们在这个领域比较强。博后之后回到中科院工作,主要是因为我觉得中国需要做这方面研究的人。后来又去美国的国家实验室工作,是因为他们先来邀请我过去看看,我发现可以在那边做一些科研方面的尝试,就去了。”

不过,这样的随性人生里,他也有自己的喜好——比如,他喜爱教书。再次辞掉美国的工作,回到中国,做回一名大学老师,也正是因为刚好收到了博导工作的邀请,出于对带学生这件事的喜好,王鸿飞选择了回归校园。


西湖:始于一场“意外”,但却也是“冥冥之中”

加入西湖大学,本质上也属于王鸿飞邂逅的一场“意外”。回国后,由于在新闻中看到了西湖大学的消息,王鸿飞便好奇起这所学校的化学方向正在做什么研究。他把这个问题抛给了自己的多年好友,西湖大学创校校董之一、首都医科大学校长饶毅,没想到却吃了“闭门羹”。王鸿飞笑着回忆:“我问饶毅‘他们在做什么’,饶毅说,‘你自己去看看吧,我又不懂化学’。后来,他就让我去问施一公谁在(西湖)做化学。”

这一问两问,由于好奇心引发的“按图索骥”,让王鸿飞与当时刚刚加入西湖大学,现任西湖大学徐益明讲席教授、理学院执行院长的邓力,联系上了。于是,就有了王鸿飞三年前的9月18号,在彼时人丁还不兴旺的西湖大学的一场学术报告,他也因此第一次踏入了西湖大学的云栖校园。

“我虽然换过好几个地方,但其实都不是我自己去找的,都是opportunity presents itself,那么机会来了,当你发现自己可以做‘更好的’事情,你才去(而不是随便‘放弃’)。同样的,我其实当时没有想到西湖大学来工作的,但是我发现这所学校和我在理念上非常契合。一方面,办一所学校不容易,中国尤其很需要好的研究型大学,这也是为社会做贡献,因为培养出的人才都会回到社会中去。另一方面,我觉得这里可以让我做比较稳定的研究。”王鸿飞解释道。

王鸿飞与博士后彭星星在讨论研究

如今,王鸿飞在西湖大学的实验室已初步成型,他的团队里已有4名博士生、2名博后、1名助理研究员、1名行政助理。“预计会招西湖六期,但我一年一般也就招一两个博士生——这个规模对我来讲已经不小了!”王鸿飞笑言。

事实上,这位资深博导至今只带出了15位博士生,按做博导的年限算,平均下来,一年不到一位——这正是因为“不希望自己的课题组太大”的王鸿飞,作为博导“精益求精”。“也不是说我有什么特别挑选学生的标准,我的原则很简单,只要他们愿意来跟我做研究,水平中等偏上就行了。我希望什么样的学生都有,最主要是他自己愿意认真做事情。至于他们将来要去做什么,只要他们自己觉得合适,就去做吧——我觉得学生将来一定不能做老师做的东西,而是跟着老师学到基本的方法技术和知识,然后去做自己的东西。”王鸿飞说。

博士生赵博鋆在调试

回过头来说,尽管从事的是最前沿的基础研究,王鸿飞却并不认为做科学有多么“了不起”:“我其实做研究的时候,包括我的导师,都不会考虑这些事情,而只是说,我们想通过研究去解决问题。所以,其实科学家要关注的就是科学问题本身,以及他的同行,对他的研究的了解和评价。”

而在西湖大学,这位在和频振动光谱领域“特立独行”的科学家,将继续带着他的科研执着,带着他的教书育人的理念,与团队一起继续前行。王鸿飞展望说:“我们现在还在探索一些新的技术,想把界面光谱测量更容易、更准确地做出来。在这个领域中,有很多分析方法,都是我们在前人工作的基础上,率先提出来的——在发展(界面)定量测量和定量分析的方法上,我们是非常独特的,而大多数人都是运用已有的方法去做检测。但是如果想要真正看到‘看不到’的风景,你就必须把方法往前推进,去发展科学的方法……”