當下，在對物質世界的研究中，實驗設備手段越發高精尖，諸如電子顯微鏡、冷凍電鏡，成了每個實驗室的夢寐以求的利器。
晶體學，這個最初為窺探物質原子結構和排列方式而形成的一門學科——至今有100余年歷史，且已獲頒23項諾貝爾獎。然而，這門學科的基礎研究猶如科學界的一門“古老手藝”，人才漸缺、關注漸少。
郭建剛是個“逆行者”。這個中國科學院物理研究所“80后”研究員執著地相信：百余年來沉淀下的晶體學知識在當今依然具有強大生命力，“認識全新物質體系，要回到最根本、最基礎的結構。雖越基礎、越困難，但也越重要。”
傳統科學與新月的碰撞
正如月球研究，晶體科學就提供了新視角，而后獲得了新發現。
2020年，我國嫦娥五號從月球背面帶回1731克的月壤樣品。經過激烈地競爭答辯，郭建剛所在的先進材料與結構分析實驗室獲得了1.5克的月壤樣品。
拿到珍貴的最新月壤樣品，郭建剛抑制不住內心地興奮，這是他的研究課題第一次觸及“太空”。
“月球土壤與我們在地面上看到的土壤類似，是一些礦石經過不斷風化，逐漸變成細碎的土壤。”郭建剛介紹。
與大多形態形貌研究不同，他們想借助自身優勢，在更深、更細處探索未知，剖析月壤內部結構與原子分布狀態，試圖“見微知著”，了解太陽風化和月球演變等。
裝在白色透明小瓶里，月壤猶如碳粉一般，呈黑色粉末狀。郭建剛首先要做的是“挑樣”——在數十萬個顆粒中挑出微米級大小的晶體，這是項考驗耐心的技術活。
晶體的大小約等于一根頭發絲直徑，郭建剛站在手套箱前、緊盯著顯微鏡，尋找著在特殊燈光照射下反射亮光的晶體，然后屏住呼吸，利用一根纖細挑樣針的靜電效應，小心翼翼“粘”出。
他和學生兩人一組，反復這一連串動作，每次需要持續3小時。為保證安靜環境，他們常常在深夜工作，結束時身體僵直、眼睛酸脹、幾近“崩潰”。
實驗室窗臺上的幾盆被拔“禿頭”的仙人球見證著他們的付出，他們需要使用仙人球的刺來“粘”住微米級晶體，放置在四圓衍射儀和高分辨透射電鏡上測試晶體結構。
郭建剛知道，我國嫦娥五號采集的月壤樣品屬于最年輕的玄武巖，且取樣點的緯度最高，為探究月壤在太空風化作用下的物質和結構演化提供了新機會。挑選樣品的質量，在一定程度上或許決定了能否把握住這次機會，因此，必須仔細再仔細。
郭建剛和團隊在月壤樣品中找到了鐵橄欖石、輝石和長石等晶體，經過測試，在鐵橄欖石表面發現了非常薄的氧化硅非晶層，這其中包裹著大小為2到12納米的晶體顆粒，通過系統的電子衍射及指標化、高分辨原子相和化學價態分析，確認它們是氧化亞鐵，并非此前在其他月壤樣品中發現的金屬鐵顆粒。
他們還在鐵橄欖石中還觀察到了分層的邊緣結構，這種特殊的微結構首次在月球土壤中看到。
扎實的數據得到了美國行星之父、匹茲堡大學地質與行星科學系教授Bruce Hapke的肯定：“這種橄欖石晶體的邊緣結構是獨特的。”
“我們確認了鐵橄欖石在太空風化作用下出現了分步分解現象。通過表面微結構和微區晶體結構分析，我們首次在鐵橄欖石的邊緣確認了氧化亞鐵的存在，表明礦物在風化過程中，經歷了一個中間態，而非一步到金屬游離鐵，這將有利于進一步理解月球礦物的演變歷史。”郭建剛說。
越基礎，越重要
2008年，從吉林大學碩士畢業，郭建剛來到物理所跟隨陳小龍研究員攻讀博士學位。在團隊里，他感受到的第一個研究“邏輯”就是，要想得到或利用一個材料，首先要想辦法弄清楚材料最基本的晶體結構，理解原子之間的排布與結合方式。
“是什么、為什么、能做些什么，這是我們要探索全新體系時要回答的三個基本問題。”他至今記得，博士期間，按照這條“底層邏輯”，做出了第一個讓他驚奇的超導新材料。從此，他便更加熱愛晶體科學。
“晶體，尤其是超導這類單晶，非常重要，在電力運輸、磁懸浮等有著廣泛應用，若原子微觀結構不清楚，很難理解和優化其物性，離應用就更遠了。”郭建剛說。
的確，對物質晶體結構的了解，有助于在物質內部微觀結構、原子水平的基礎上，闡明物質各種性能，并為改善材料的性能、探索新型材料和促進材料科學的發展提供重要科學依據。
10余年來，郭建剛一直牢記著這個“邏輯”。他以探索電磁功能材料和生長晶體為主要方向，以理解晶體結構為出發點，研究材料的物性和晶體結構之間的關系，取得了諸多重要成果。
2010年，還在讀博期間，郭建剛在國際上最早制備出了堿金屬鉀插層鐵硒超導體系，其最高超導轉變溫度為30 K，創造了當時常壓下FeSe基化合物超導轉變溫度的最高紀錄。
該成果開辟了國際鐵基超導研究的新領域，所開創的研究方向‘Alkali-doped iron selenide superconductors’被湯森路透《2013研究前沿》和《2014研究前沿》列為物理學10個最活躍前沿領域之首和第7名，將其發展成了與鐵砷基并列的第二類鐵基高溫超導體。
他成功地解決了較小尺寸堿金屬鉀插層鐵硒的難點，制備出了純相的鈉插層鐵硒超導體，進一步將超導轉變溫度提高至37 K。
弄清晶體結構，會大大縮短新型材料探索時間、加速解決實際問題。
郭建剛介紹，用傳統方法合成一個新材料，需要不斷地試，因為不知道哪些組分、溫度等合適，試的足夠多，可能會碰到一個新的，但試錯法效率低、成本高。而弄清楚了晶體結構，就能了解某一類材料中物性的決定性單元（也稱功能基元），再以此為基礎，發展新的材料體系，“比如要制備一個新材料，有3個組分，通過晶體結構分析，我們能發現決定材料物性的功能基元，就能夠以相應的物性為導向，高效地探索新材料和新效應。”
即以不同功能基元為基礎，調控基元的排列方式，或通過調控功能基元里配位的原子種類和數目來改變其電子結構，制備新高溫超導晶體體和誘導新效應。
基于這一思路，由陳小龍牽頭，郭建剛作為第2完成人所承擔的挑戰性課題“基于結構基元的新電磁材料和新效應的發現”，榮獲2020年度國家自然科學二等獎，這項成果解決了由功能基元出發、高效探索新材料和新效應的若干關鍵科學問題，推動了無機功能材料科學的研究與發展。
肩負重任的新生力量
在先進材料與結構分析實驗室，作為青年科學家的郭建剛，肩負延續學科發展與服務國家需求新的重任。
“老一輩科學家的事跡和精神始終鼓舞著我。”郭建剛說。“陸學善院士和梁敬魁院士分別是中國著名的晶體物理學家和晶體物化學家，導師陳小龍除了在晶體結構分析和單晶生長具有深厚的學術功底，也是推動碳化硅晶體從基礎研究到產業化的先行者之一。
讓郭建剛感觸最深的是，老師們總是以一絲不茍的態度，對待基礎研究，即使看似很小的工作也做得非常扎實、嚴謹。
他一直記得陸學善先生和梁敬魁先生的一個科研故事，上世紀60年代，梁敬魁回國來到物理所，與陸學善合作開展了銅-金二元體系超結構研究，為了達到合金的平衡態，需要諸多工藝，單是退火處理這一個工藝過程，就需要六個月或者一年時間。他們耐住寂寞，幾年之后，獲得了一系列長周期的超結構相，其中有的是國外研究者已經研究多年，卻始終沒有觀察到的現象。
“在很多人看來，這樣的研究方法可能比較‘原始’，但恰是這種方法，為科研打下了扎實的基礎，產出了諸多原創性成果。”郭建剛說，耐心、潛心是他從老先生那里學到的科學精神。
在郭建剛看來，今天，研究組在晶體生長領域產生了多項引領性的工作，尤其在碳化硅寬禁帶半導體生長與新功能晶體材料探索方面，都是在多年的基礎研究積累上取得的。
碳化硅是一種重要的寬禁帶半導體，具有高熱導率、高擊穿場強等特性和優勢，是制作高溫、高頻、大功率、高壓以及抗輻射電子器件的理想材料，在軍工、航天、電力電子和固態照明等領域具有重要的應用，是當前全球半導體材料產業的前沿之一和國內“十四五”規劃重點攻關的半導體材料之一。
然而，一直以來，用于應用研究的大尺寸單晶存在較多難以突破的關鍵科學和技術問題，嚴重影響器件性能，諸多關鍵技術和設備面臨著國外封鎖。
近年來，針對相關難題，在陳小龍的帶領下，郭建剛在扎根基礎研究的同時，與團隊共同推動研究成果產業轉化，獲得了2020年度中國科學院科技促進發展獎。
“最大的挑戰是基礎研究領域的突破，在晶體研究領域，我們還需要更細致、更系統和更‘原始’的研究。”郭建剛深知，基礎科學問題的突破將會極大地提高晶體的質量和應用范圍，給學術和產業界帶來巨大變革，但攀登科學高峰這條路必定不輕松，還好，有熱愛，可抵漫長歲月。