“天作之合”团队： 简单反应“玩”出复杂花样

发布时间: 2023-02-23

 来源： 中国科学报 孙丹宁
                                                                            张东辉在办公室工作。


                                                                      杨学明（左）在指导学生。受访者供图

    2006年，《科学》杂志发表了一篇由中科院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）分子反应重点实验室的张东辉、杨学明等共同完成的论文。这项工作首次在实验中观察到了全量子分辨率的F+H2分子化学反应共振现象，并证实该现象由两个共振态引起。

    17年后，杨学明、肖春雷团队联合张东辉、张兆军团队又在《科学》发表论文，在H+HD→H2+D反应中实现了立体动力学精准调控。审稿人评价该工作是“反应动力学领域里程碑式的突破”。

    谈及多次在《科学》发表论文的经历，中科院院士张东辉形容其像“没有终点的马拉松”。“我希望能一直在跑道上前行，将研究越做越大，越做越精细。”

    17年11篇《科学》论文

   2023年新年伊始，张东辉就收到《科学》发表论文的消息。

   当时，他刚在办公室看完一名学生的计算结果。短暂的喜悦过后，他又忙着与另一名学生讨论计算程序。

   从2006年第一篇有关基元化学反应的文章发表至今，张东辉团队共在《科学》发表了11篇文章。

   如此高频率、高质量地发表文章，背后有另一个“神奇”团队的存在。
   
   “我们组的人都称我和他为‘天作之合’。”张东辉口中的他，指的是中科院院士杨学明。

   “他们一个做理论，一个搞实验。理论计算不仅能揭示实验观测背后的物理机制，还能进行精准预测，避免实验测量大海捞针。实验和理论相互促进，常常能取得很好的效果。”大连化物所研究员肖春雷解释说。

     两个团队“双剑合璧”的故事说来话长。

    2000年前后，杨学明接受大连化物所的邀请，任该所国家重点实验室主任一职。但他的研究基本以实验为主，如果能找到一位理论研究的同行合作，那将是双向“互补”。

    “什么时候有空来大连看看吧？”杨学明第一次向张东辉发出邀请。

     张东辉当时任职的新加坡国立大学并没有分子反应动力学相关领域的实验团队，而杨学明正好组建了这样一个团队。2006年初，张东辉决定正式入职大连化物所。这两位不同研究方向的学者在分子反应动力学上碰撞出“火花”——化学反应研究。

    同年，两个团队就针对F+H2反应进行了理论实验研究。他们利用自行研制的交叉分子束装置，结合高精度量子动力学计算方法，在量子态水平上观测到F+H2反应中的费什巴赫共振态，回答了分子反应动力学领域中一个困扰了几十年的问题。

    2006年，相关成果登上《科学》之后，他们又研究了Cl+H2和F+D2反应中的波恩-奥本海默的适用性问题，在F+HD反应中观测到化学反应中的分波共振态，并解决了四原子反应OH+HD→H2O+D的全维量子动力学模拟难题。相关研究成果在2007、2008、2010、2011年相继发表于《科学》。

    随着研究的深入，团队希望进一步发展在量子态水平上“主动”调控化学反应的方法，并发现化学反应中的新现象。为此，杨学明、肖春雷等人通过自主研发的窄线宽激光光源，将能量精确注入氢分子化学键的振动。结合张东辉等人的高精度量子动力学计算，团队先后观测到振动激发反应中的量子共振态。研究成果在2013、2015年相继发表于《科学》。

    今年，杨学明、肖春雷团队进一步改进了先前自主研发的窄线宽激光光源，不仅将能量注入氢分子的化学键，还能精确控制氢分子化学键的方向，进而在H+HD反应中成功实现了立体动力学精准调控。张东辉、张兆军理论团队随即开展了非绝热量子动力学模拟，结合极化微分截面理论方法，详细分析了该反应中存在的立体动力学效应，揭示了量子干涉现象在垂直碰撞构型反应中的重要作用。

    自主研制的科学仪器，为杨学明团队的研究工作奠定了坚实的基础。而张东辉团队每一次理论研究的进步，也为揭示实验观测背后的物理图像提供了重要的支撑。

    “杨老师的实验研究在世界上排在前列，我们都很崇拜他。”张东辉笑呵呵地说，“我们的合作可以说是‘1+1＞2’，这是一个越来越彼此信任的过程。”

    “做实验和研究理论的人彼此很熟，我们经常‘窜’到对方的办公室，讨论很久。”在这里工作10余年的张兆军提起团队合作就关不上“话匣子”。

     一次次理论与实验的合作，让大连化物所在分子反应动力学领域有了一席之地。

    兴趣是科研的内在推动力

    2014年通过大四夏令营加入杨学明团队的王玉奉，已经在这个团队工作学习了8年，即将成为出站博士后。成为《科学》论文第一作者并获得国际认可，让王玉奉倍感荣耀。他不断强调自己很幸运，“我一开始是因兴趣来到大连化物所，但是在研究中有很多迷茫，杨老师一直鼓励并且支持着我”。

     作为同篇《科学》论文的共同第一作者，黄嘉宇加入张东辉团队已有7年。对分子反应动力学理论研究有独特兴趣的他，庆幸自己遇到了恩师。“张老师只要在大连，每天至少来学生办公室一次，和学生进行一对一的沟通讨论。不管我们提出什么课题，张老师都会认真倾听，然后给出明确的指导意见。”

    回望来时路，杨学明和张东辉最初迈入这个领域都是兴趣使然。

    学生时代的杨学明，曾做了近10年的分子光谱学研究，但一直没有发掘出真正的兴趣点，未曾体会到激动的感觉。读博期间，他遇到了年仅28岁的年轻教授Alec Wodtke。

    “他很有想法、有创造力，传递给我一种敢闯的精神。从那时起，我觉得做科学就是要有一种敢于挑战和超越极限的精神。”杨学明说。

     于是，博士后期间，杨学明毅然决然地为兴趣换“跑道”，开始研制科研仪器，做分子反应动力学的相关研究。“研发科学仪器是系统工程，需要技术与科学紧密结合，这样才能做出世界一流的科学仪器。”

    无独有偶，张东辉的经历与杨学明有些相似。

    高中时期的张东辉物理成绩名列前茅。1985年，他获得了保送复旦大学物理系的机会。入学两年后，曾获诺贝尔化学奖的李远哲到学校作了一场关于“分子反应动力学”的报告。“分子反应动力学”从此在张东辉心里留下深深的印记。

    赴美国纽约大学留学后的某天，张东辉在学校公告栏上发现了一个熟悉的词语——分子反应动力学，这使他心中的“种子”复苏。他随即了解到做这项研究需要通过程序计算，而这与他的兴趣不谋而合。

    几乎没有任何犹豫，张东辉就转向了分子反应动力学领域，一扎根就是30余年。他形容自己的科研生涯“越做越有意思”。

    所以，在看到“有兴趣”“想动手”的年轻学生时，两位院士内心都十分激动。“兴趣是科研的内在推动力。”杨学明说。

     有所为，有所不为

     除了兴趣是重要的参考标准外，两位院士对年轻学者也有着独特的教育模式。

    目前，两个团队都有大量的年轻人，其中“90后”占三分之二。在院士和学生的“新老”冲击中，双方都不觉得有代沟。

     提及在院士团队学习工作是否压力很大，王玉奉说：“有压力是一定的，因为周围的人都很努力。但是不会觉得难受，因为我们的氛围很‘自由’。”

    这里的自由是指在确定研究方向后，大家可以自主研究，导师只会提一些指导意见，并不会干涉学生具体怎么做。

   “有的实验室买了一台装置，可能要求大家都要‘呵护’这个宝贝。”王玉奉提到，“而我们研究组拿到装置后，第一时间就会上手‘摸一摸’，搞清原理。”

    在日常实验中，王玉奉常常遇到各种仪器故障，等工程师维修可能需要一两周时间。在与工程师沟通之后，他便着手拆卸仪器，仔细查找问题，再更换部分零部件，让仪器恢复正常运转、实验得以继续进行。王玉奉已经忘了修过多少台仪器，敢于动手维修设备让他学到了很多书本上学不到的知识。

    “我们一直以来坚持‘有所为，有所不为’。”张东辉告诉《中国科学报》。

    “有所为”指的是给予科研人员宽松、自由、公平的科研环境，并创造机会鼓励合作，给予经费支持；同时，实验室也坚持“有所不为”——不监管科研人员的细节，尤其是给予年轻人机会，允许其在各自的科研方向上试错。

    在教育过程中要敢于对青年学者放手，但不是彻底“撒手不管”，而是给予一定的自主性，让他们在广阔的科研天地中施展拳脚，在遇到挫折时，能及时给予鼓励和反馈，帮助他们快速成长，成为研究组不可或缺的支柱。

    杨学明对此深表赞同：“要保持实验室的创新能力，需要支持年轻一代的发展。要让年轻人挑重担，同时给他们充分支持。我们这些年纪大的人往后退一退，年轻人才有更多发展机会。”

    而年轻人关于未来的思考又是怎么样的呢？王玉奉这样说：“在化学反应动力学领域这8年，我把理想变成了现实。虽然基础研究并不能立刻产生对生产生活有用的成果，但它一直是化学研究的基础。未来我会继续在这个未知领域进行探索，力争取得更多的突破。”

    （原载于《中国科学报》 2023-02-22 第4版 综合）