“天作之和”團隊：簡單反應“玩”出復雜花樣

　　2006年，《科學》(Science)雜志上發布了一篇關于基元化學反應F+H2→HF+H的論文，由中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）分子反應重點實驗室的張東輝、楊學明等共同完成。這項工作首次在實驗中觀察到了全量子分辨率的F+H2分子化學反應的共振現象，并被證實共振現象是由兩個共振態所引起的，解決了反應動力學研究領域中的一個重大挑戰。該研究成果當選2006年中國十大科技進展新聞。

　　十七年后，楊學明院士、肖春雷研究員團隊聯合張東輝院士、張兆軍副研究員團隊又在Science上發布了一篇論文，在H+HD→H2+D反應中實現了立體動力學精準調控，審稿人評價該工作是“反應動力學領域里程碑式的突破”。

　　幾次Science發表的經歷，張東輝形容其像“沒有終點的馬拉松”。“我希望能一直在跑道上前行，越做越大，越做越精細。”

　　十七年十一篇Science

　　2023年到來沒幾天，張東輝就收到了又一篇Science發表的好消息。

　　此時的他，正在學生的辦公室里“轉悠”，剛看完這個同學的計算結果，又緊接著與另一位同學討論起了計算程序。

　　回憶起文章接受時的心情，張東輝說道：“雖然表面上很‘淡定’，但是內心還是很激動的。”

　　一直從事基元化學反應研究的他，這些年可沒少煞費苦心。

　　化學反應，指的是構成反應物的原子重新排列組合生成新分子的過程，而如何精確調控化學反應是化學科學研究的核心目標之一。

　　在化工生產過程中，工程師們常常通過添加催化劑、改變化學過程的溫度、壓力等宏觀參數，在一定程度上控制化學反應，得到了所需的化學反應產物。隨著人類對化學反應的認識達到原子分子尺度和量子態的水平，如何在更精細的水平上對化學反應進行調控是許多科學家追求的方向。

　　立體動力學效應是化學反應中一個基礎而重要的問題。它關注的是碰撞過程中反應物分子的空間取向對反應過程有何影響，其根源在于反應物分子并非簡單的質點，而是有具體的結構和形狀。如何利用化學反應中的立體動力學效應，實現對化學反應過程和結果的精細控制，是化學動力學研究中的前沿問題之一。

　　關注到立體動力學效應的重要性后，從事理論研究的張東輝立刻“擼起袖子”，開啟了新領域的探索。

　　從2006年第一篇有關基元化學反應的文章發表到如今，團隊共發表了11篇Science文章。如此“高頻率”、“高質量”文章的發表，張東輝團隊背后還有另一個“神奇”團隊的存在。

　　理論與實驗的“雙劍合璧”

　　“我們組的人都稱我和他為‘天作之合’。”張東輝笑著說道。

　　“他”指的是大連化物所的楊學明院士，在研究組內，流傳著“雙劍合璧”的傳說。

　　肖春雷解釋道：“張老師和楊老師，一個做理論，一個搞實驗，理論計算不僅能揭示實驗觀測背后的物理機制，還能進行精確的預測，讓實驗測量避免‘大海撈針’，通過實驗和理論相互促進，常常能取得很好的效果。”

　　2000年前后，楊學明接受了大連化物所的邀請，到這里接任了國家重點實驗室主任職位。

　　但是楊學明一直以來的研究基本上都以實驗為主，如果能找到一位理論研究為主的同行合作，那將恰如其分地雙向“互補”。

　　“什么時候有空來大連看看吧？”這是楊學明第一次“含蓄”地向張東輝發出回國邀請。

　　張東輝彼時任職的新加坡國立大學并沒有分子反應動力學相關領域的實驗團隊，如果想讓自己的研究上一個臺階，實驗研究的支持必不可少，而楊學明正好組建了一支實驗團隊。

　　張東輝思索了片刻，想到了自己所從事研究的發展前景以及研究機構的科研氛圍，內心的天平已經有所傾斜。

　　2006年初，張東輝正式入職大連化物所。兩位不同方向的學者在分子反應動力學立刻就碰撞出強烈的火花，而他們“盯”上的，恰恰是最基礎的化學反應研究。

　　同年，兩個團隊就針對F+H2 反應進行了理論實驗的研究。他們通過利用自行研制的交叉分子束裝置，結合高精度的量子動力學計算方法，在量子態水平上觀測到F+H2反應中的費什巴赫共振態，回答了分子反應動力學領域中一個困擾大家三十多年的問題。

　　2006年相關成果登上Science之后，團隊又研究了Cl+H2和F+D2反應中的波恩-奧本海默的適用性問題、在F+HD反應中觀測到化學反應中的分波共振態，并解決了四原子反應OH+HD→H2O+D的全維量子動力學模擬難題，相關研究成果相繼于2007、2008、2010、2011年發表在Science雜志上。

　　隨著研究工作的深入，研究團隊不僅僅滿足于“被動”觀測化學反應，更希望進一步發展在量子態水平上“主動”調控化學反應的方法，并以此為契機發現化學反應中的新現象。因此，楊學明、肖春雷等人通過自主研發窄線寬的激光光源，利用受激拉曼激發在分子束中高效制備振動激發態氫分子的技術，將能量精確注入氫分子化學鍵的振動。結合張東輝等人的高精度量子動力學計算，先后在F+HD(v=1)和Cl+HD(v=1)反應中觀測到振動激發反應中的量子共振態，研究成果相繼于2013、2015年發表在Science雜志上。

　　2023年，楊學明、肖春雷團隊進一步改進了先前自主研發的窄線寬激光光源，不僅將能量注入氫分子的化學鍵中，更重要的是，能夠精確控制氫分子化學鍵的方向，進而在H+HD反應中成功實現了立體動力學精準調控。張東輝、張兆軍理論團隊隨即開展了非絕熱量子動力學模擬，結合極化微分截面理論方法，詳細分析了該反應中存在的立體動力學效應，揭示了量子干涉現象在垂直碰撞構型反應中發揮了重要的作用。

　　自主研制的科學儀器，為楊學明團隊的研究工作奠定了堅實的基礎。而張東輝團隊每一次理論研究的進步，也都為揭示實驗觀測背后的物理圖像提供了重要的支撐。

　　“楊老師的實驗研究在世界上都排在前列，我們都很崇拜他。”張東輝笑呵呵地說道，“我們的合作可以說是1+1大于2，就是一個越來越信任彼此的過程。”

　　一次次理論與實驗的合作，讓大連化物所在分子反應動力學領域有了“一席之地”。“實驗和理論的人彼此很熟，我們經常‘竄’到對方的辦公室里，一討論就很久。”在這里工作十余年的張兆軍提起團隊就止不住“話匣子”。

　　興趣是科研的內在推動力

　　多年合作的成功，讓兩個團隊的人都斗志昂揚。

　　2014年通過大四夏令營加入楊學明研究團隊的王玉奉，已經在這里工作學習了八年的時間，即將成為出站博士后。開年就取得Science一作的好成績，獲得了國際上的認可，王玉奉倍感榮耀。他不斷強調自己很幸運，因為一加入團隊就得到了楊學明老師的指點。“一開始是憑借著興趣來到大連化物所的，但是在研究中還是有很多迷茫的地方，楊老師一直鼓勵并且支持著我。”

　　作為同篇Science論文的共同一作，黃嘉宇加入張東輝研究團隊也已經七年了。對分子反應動力學理論研究有獨特興趣的他，幸運地遇到了張東輝老師：“張老師只要在大連，每天就至少來學生辦公室一次，和學生進行一對一的溝通討論。不管我們提出什么課題，張老師都會認真傾聽，然后給出明確的指導意見。”

　　回望來時路，楊學明和張東輝最初邁入這個領域都是由興趣做索引的。

　　楊學明在學生時代，曾做了將近10年的分子光譜學。他在這個領域努力了很久，卻一直沒有發掘出真正的興趣點，未曾體會到“激動”的感覺。讀博期間，由于之前導師的一些變故，讓他接觸到了僅28歲的年輕教授Alec Wodtke。

　　“他很有想法、有創造力，那種敢闖的精神是他傳遞給我的。從那個時候，我就覺得做科學就是要有一種敢于挑戰自己的極限和超越的精神。”楊學明說。

　　于是，楊學明在博士后期間毅然決然的為了興趣換了“跑道”，開始研制科研儀器，做分子反應動力學的相關研究。“研發科學儀器是系統工程，而最重要的需要與科學問題緊密結合，真正把技術和科學結合起來，這樣才能做出世界一流的科學儀器。”

　　無獨有偶，張東輝的經歷與楊學明有些許相似之處。

　　高中時期的張東輝物理成績在班級中就名列前茅。1985年，他獲得了保送機會，選擇就讀于復旦大學物理系。兩年后，曾獲諾貝爾化學獎的李遠哲到復旦大學作了一場關于“分子反應動力學”的報告。大二在讀的張東輝并未對報告內容有更深入的理解，但“分子反應動力學”卻在心里留下了很深的印象。

　　后來，張東輝在選擇留學研究方向的時候，得知紐約大學物理系在實驗方面有激光冷卻方向，這是當時物理學界的前沿領域。他開始嘗試著進實驗室做實驗，但是卻發現對實驗物理并沒有興趣。思慮了幾日，張東輝還是覺得需要計算方案的理論物理研究方向更符合自己的興趣。

　　赴美留學后，某天，張東輝在物理系大樓門口的公告欄上發現了他熟悉的詞語——分子反應動力學，這喚起了他幾年前聽報告的回憶。他隨即了解到做這項研究需要通過程序計算，這與自己的興趣不謀而合。

　　幾乎沒什么猶豫，張東輝就轉向了分子反應動力學這個領域，在這里一扎根就是三十余年，他形容自己的科研生涯“越做越有意思”。

　　所以，在看見“有興趣”“想動手”的年輕學生時，兩位院士內心都十分激動。

　　“興趣是科研的內在推動力。”楊學明說。

　　有所為，有所不為

　　除了興趣是重要的參考標準，兩位院士對年輕學者也有著獨特的教育模式。

　　目前，兩個團隊都有大量的年輕人，90后數量占比達到三分之二。在院士和學生的“新老”沖擊中，雙方都不覺得有“代溝”。

　　提及在院士團隊學習工作是否壓力很大，王玉奉立馬說道：“有壓力是一定的，因為周圍人都很努力，但是不會覺得難受，因為我們的氛圍很‘自由’。”

　　這里的自由并不是“百無禁忌”，而是研究方面有一定的自主性。在確定研究方向后，大家可以自主開發研究，導師只會提一些指導意見，并不會干涉學生具體怎么做。

　　“有的實驗室買了一個裝置，可能是個要‘呵護’的寶貝。”王玉奉提到，“而我們研究組拿到裝置后第一時間就會自己上手‘摸一摸’，搞清原理，從來不怕弄壞設備。”

　　在日常實驗中，王玉奉常常遇到各種儀器故障，如果等工程師來維修可能要一兩周的時間。在與工程師溝通之后，他便著手拆卸儀器，在工程師的指導下仔細查找問題，之后再更換部分零部件，便讓儀器恢復了正常運轉，實驗得以繼續進行。而這樣的事情在研究組并不少見，王玉奉已經忘了自己修過了多少個儀器，敢于動手維修設備也讓他學到了很多書本上給予不了的知識。

　　“我們一直以來堅持‘有所為，有所不為’。”張東輝院士告訴《中國科學報》。

　　“有所為”指的是要給予室內科研人員寬松、自由、公平的科研環境，并創造機會鼓勵合作，給予經費支持；同時，實驗室也堅持“有所不為”——不監管科研人員的細節，尤其是給予年輕人機會，允許在各自的科研方向上試錯。

　　在教育過程中要敢于對青年學者放手，但不是徹底“撒手不管”，而是給予一定的自主性，讓他們在廣闊的科研天地中伸展拳腳，在遇到挫折時，能及時的給予鼓勵和反饋，幫助他們快速成長起來，成為研究組不可或缺的支柱。

　　楊學明院士深表贊同：“要讓實驗室保持持續的創新能力，需要支持下一代年輕人的發展。要讓年輕人挑重擔，同時給他們充分支持，甚至我們這些年紀大的人稍微往后退一退，這樣年輕人才有更多發展機會。”

　　而年輕人關于未來的思考是怎么樣的呢？

　　王玉奉回答道：“在化學反應動力學領域這八年讓我將興趣演變成了現實。雖然基礎研究并不能立馬產生對生產生活有用的成果，但是它一直是許多化學研究的基礎。未來我會繼續在這個未知領域探索，爭取取得更多的突破。”