北京大學(xué)王恩哥院士團(tuán)隊(duì)：25年，看“清”一滴水｜聚焦國家科學(xué)技術(shù)獎

“水的結(jié)構(gòu)是什么”，這是《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年特刊中提出的125個世紀(jì)難題之一。

水，無處不在，看似尋常，卻是科學(xué)家眼中最神秘的物質(zhì)之一，還有許多未解之謎。

7月8日，2025年度國家科學(xué)技術(shù)獎揭曉，北京大學(xué)王恩哥院士團(tuán)隊(duì)?wèi){借“水的氫鍵強(qiáng)度及動力學(xué)過程全量子效應(yīng)研究”成果，獲得國家自然科學(xué)獎一等獎。該成果揭示了水這一復(fù)雜系統(tǒng)的全量子特性，攻克了水與冰結(jié)構(gòu)的世界公認(rèn)難題。鮮為人知的是，這份沉甸甸的榮譽(yù)背后，是團(tuán)隊(duì)歷時25年甘坐“冷板凳”的堅(jiān)守。

團(tuán)隊(duì)合影

追問水背后的量子規(guī)律

這項(xiàng)成果之所以引人注目，是因?yàn)樗|及了一個物理科學(xué)中的根本問題。

1927年，玻恩和奧本海默基于薛定諤方程提出電子態(tài)絕熱近似，在該范式下，通常把原子核當(dāng)作經(jīng)典粒子來處理，只對電子進(jìn)行量子化，從而大大降低了計(jì)算和模擬難度。此后百年成為解決凝聚態(tài)物理問題的出發(fā)點(diǎn)。

“核量子效應(yīng)真的可以忽略不計(jì)嗎？”這一疑問長久縈繞在王恩哥心頭。2002年，王恩哥和美國物理學(xué)家費(fèi)貝爾曼有一場關(guān)于水在金屬表面能否自發(fā)分解的科學(xué)爭論。爭論中，王恩哥愈發(fā)意識到，“玻恩—奧本海默近似”應(yīng)該進(jìn)行一些突破。

王恩哥在辦公室

“全量子效應(yīng)”在王恩哥的腦海中逐漸清晰。他選擇“水”作為突破口，因?yàn)樗奢p元素構(gòu)成，其中質(zhì)量最小的氫原子占了三分之二，最有可能顯現(xiàn)出顯著核量子效應(yīng)。

圍繞這一問題，王恩哥帶著學(xué)生一頭扎進(jìn)了水的量子世界，用25年時間，在理論與實(shí)驗(yàn)兩條路徑上持續(xù)推進(jìn)：建立了超越“玻恩—奧本海默近似”的物理研究框架，實(shí)現(xiàn)對電子與原子核自由度全量子描述；首次“看見”水分子的氫原子和識別單根氫鍵，定量揭示核量子效應(yīng)對氫鍵的重要貢獻(xiàn)，并進(jìn)一步把研究從觀測和解釋推進(jìn)到調(diào)控。

他們做的，正是把科學(xué)界長期被簡化掉的那部分“找回來”：把原子核量子效應(yīng)系統(tǒng)性納入研究之中，從氫原子波粒二象性的角度，重新理解水、冰等輕元素物質(zhì)背后的深層規(guī)律。

團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)的質(zhì)子“協(xié)同隧穿”新機(jī)制與二百多年來用于描述質(zhì)子分步傳輸?shù)摹癎rotthuss”機(jī)制。

打造尖端儀器看見“最小”原子

時間回溯到2014年，北大物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心。高分辨掃描探針顯微鏡下，信號滋滋傳來，水分子內(nèi)部單個氫原子及水團(tuán)簇中單根氫鍵的圖像生成了！那一刻，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了人類在表面上直接“看見”最小原子的夢想。

團(tuán)隊(duì)核心成員、北京大學(xué)物理學(xué)院教授江穎至今記得，2010年初，時任北大物理學(xué)院院長的王恩哥找他談了整整一個下午。他們的話題是一個當(dāng)時充滿不確定性的方向：能否在實(shí)驗(yàn)上真正探測到水中原子核的量子效應(yīng)？江穎聽著有些將信將疑，但他還是決定試試。

江穎在操作高分辨掃描探針顯微鏡。

彼時，對于單個氫原子、單根氫鍵這樣小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，還是一個未被攻克的難題。要跨過這一步，實(shí)驗(yàn)技術(shù)必須同時滿足兩個苛刻條件：既要對氫足夠敏感，又不能在探測過程中對脆弱結(jié)構(gòu)造成明顯擾動。

這些年，團(tuán)隊(duì)持續(xù)改進(jìn)高分辨掃描探針顯微鏡系統(tǒng)，發(fā)展出原創(chuàng)的高階靜電力掃描探針技術(shù)，突破了“氫敏感”和“非侵?jǐn)_”兩大實(shí)驗(yàn)技術(shù)難題。這套完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的尖端科學(xué)儀器設(shè)備，探測靈敏度比國際最好水平高1個數(shù)量級以上，打破了中國高端掃描探針顯微鏡近40年來長期依賴進(jìn)口的被動局面，如今已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)商業(yè)化生產(chǎn)和市場推廣。

把簡單的事情做到極致

團(tuán)隊(duì)并不滿足于“看到”，而是進(jìn)一步走向“調(diào)控”。2022年，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對核量子效應(yīng)的人工增強(qiáng)，創(chuàng)造出打破“冰規(guī)則”的二維冰結(jié)構(gòu)，并在后續(xù)研究中觀察到常壓下絕緣態(tài)到金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變。這意味著，全量子效應(yīng)研究正從基礎(chǔ)認(rèn)知走向主動設(shè)計(jì)，為理解和調(diào)控物質(zhì)形態(tài)打開新空間。

通過調(diào)控核量子效應(yīng)得到的二維冰新物態(tài)。

隨著證據(jù)不斷積累，團(tuán)隊(duì)關(guān)于水體系全量子效應(yīng)的一系列原創(chuàng)成果獲得國際同行廣泛認(rèn)可。全量子效應(yīng)近年來已成為凝聚態(tài)物理研究非常活躍的新領(lǐng)域之一，國際學(xué)術(shù)界評論稱“核量子效應(yīng)研究進(jìn)入主流”。

“25年前，很多人會覺得水有什么好研究的，太簡單了。”王恩哥笑著回憶。但他堅(jiān)信，把簡單的事情做對，就是不簡單。一個真正重要的科學(xué)問題，值得用幾年甚至幾十年的時間去驗(yàn)證它、捍衛(wèi)它。

江穎表示，王老師獨(dú)到的學(xué)術(shù)視野與科學(xué)品位，始終為團(tuán)隊(duì)領(lǐng)航定向。“他時常告誡團(tuán)隊(duì)成員，做科研切忌盲目跟風(fēng)、追逐熱點(diǎn)，要敢于直面真正重大的科學(xué)難題，培養(yǎng)甘坐冷板凳的定力與毅力，從而實(shí)現(xiàn)從0到1的原創(chuàng)性突破。”在他的引領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)也養(yǎng)成了追求極致的科研作風(fēng)。

如今，全量子效應(yīng)研究的意義早已不止于“水”本身。“過去一百年，物理學(xué)家通過研究電子的量子態(tài)，徹底改變了我們的生活；未來一百年，我相信從全量子視角研究原子核量子態(tài)會帶來更大的驚喜，特別是化學(xué)、生命科學(xué)、能源環(huán)境科學(xué)等。”王恩哥說。

獲獎從來不是終點(diǎn)，而是新的起點(diǎn)。面對極端受限水、輕元素量子材料、全量子調(diào)控新物態(tài)等前沿課題，這支團(tuán)隊(duì)再次踏上新征程。

本文來源｜《中國教育報(bào)》2026年7月11日01版，原標(biāo)題《北京大學(xué)王恩哥院士團(tuán)隊(duì) 25 年，看 “ 清 ” 一滴水》

本文作者｜中國教育報(bào)記者 焦以璇

圖片來源 | 北京大學(xué)微信公眾號

責(zé)任編輯｜杜潤楠

聚焦國家科學(xué)技術(shù)獎