王恩哥团队：20余年读懂一滴“水”

7月8日，2025年度国家科学技术奖公布。由北京大学物理学院教授王恩哥、江颖、李新征、徐莉梅，化学与分子工程学院教授高毅勤组成的研究团队凭借“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”成果，获得国家自然科学奖一等奖。

王恩哥团队这项成果触及一个物理科学中的根本问题。

近百年来，凝聚态物理领域大多把“玻恩-奥本海默近似（BO近似）”作为研究物理问题的出发点。然而，对于水这样最常见、却也异常复杂的凝聚态体系，过去常用的理论近似是否足够？那些看似微小、长期被忽略的原子核量子效应，究竟在多大程度上影响着水的结构和物性？

围绕这一问题，研究团队用20余年时间，在理论与实验两条路径上持续推进：建立了超越BO近似的物理研究框架，实现对电子与原子核自由度全量子描述；首次“看见”水分子的氢原子和识别单根氢键，定量揭示原子核量子效应对氢键的重要贡献，并进一步把研究从观测和解释，推进到调控，创造出打破“冰规则”的二维冰结构。

团队做的，正是把科学界长期被简化掉的那部分“找回来”：把原子核量子效应系统性纳入研究之中，从氢原子波粒二象性的角度，重新理解水、冰等轻元素物质背后的深层规律。

从追问一个假设开始

2002年，美国物理学家皮特·费布尔曼（Peter Feibelman）提出一个科学畅想：让水在某一种金属表面自发分解，分解过程释放的氢便是氢能的来源。《科学》（Science）杂志刊登了这篇由唯一作者独立创作的理论物理文章。

过往的工作经验让王恩哥觉得，这项工作一定很重要。于是他让一位博士生马上研究一下其他金属表面上水的情况，结果所有表面都给出了相反的结论。他们的论文很快在美国物理学会的《物理评论快报》上发表出来，并立即在国际物理界引起很大反响。美国物理学会在第二年的3月年会上设立了一个专场，邀请二人相继做大会报告，公开探讨。然而，两人都无法说服对方。

在争论中，王恩哥愈发意识到，很多分歧表面上是对具体现象的不同解释，深层却可能指向一个更根本的前提：“玻恩-奥本海默近似”，这个被凝聚态物理学家用了近百年的理论，是不是应该进行一些突破？

2004年，王恩哥开始从头推导，随后请另一位博士生开发了新的理论模拟程序。他们考虑了原子量子属性的最初工作成果发表在2008年的《物理评论快报》上。此后“全量子效应”这个概念在他的脑中逐渐成形，2010年左右，关于如何推进这一研究的构想在王恩哥脑海中逐渐清晰起来。他选择“水”作为突破口，是因为它由轻元素构成，其中质量最小的氢原子占了三分之二，最有可能显现出显著原子核量子效应；同时，也因为水是自然界和生命体系中最重要又最不易被彻底理解的凝聚态物质之一。

“看见”世界上最小原子

2014年，北大物理学院量子材料科学中心，高分辨扫描探针显微镜下，信号传来，水中的氧和氢正清晰向人们展露它的结构面容。水分子内部单个氢原子及水团簇中单根氢键的图像生成了，王恩哥、江颖他们实现了人类在表面上直接“看见”最小原子的梦想。

这次“看见”，有赖于江颖从零起步，在实验室自主研制的一套高分辨扫描探针显微镜系统和原创的原子成像技术。

2010年年初，江颖刚结束海外博士后工作。时任北大物理学院院长王恩哥找到他，谈了整整一个下午。谈的不是一项现成的热门课题，而是一个当时仍显模糊甚至带着几分冒险意味的方向：能不能在实验上真正探测到水中原子核的量子效应？

江颖听着有些将信将疑。毕竟，原子核的质量比电子大得多，就连最轻的氢原子核的质量也是电子的1800多倍，其波动性和量子隧穿的几率也小得多，原子核的量子效应是否真能在水中显著到足以被观测，并不是显而易见的事情。

20世纪80年代开始，国际顶尖实验室在原子级分辨率显微镜技术上持续突破。但对于单个氢原子、单根氢键这样小的结构进行成像，还是一个未被攻克的难题，人们始终缺少直接的原子尺度图像。要跨过这一步，实验技术必须同时满足两个几乎苛刻的条件：既要对氢足够敏感，又不能在探测过程中对脆弱结构造成明显扰动。

围绕这个目标，江颖持续改进高分辨扫描探针显微镜系统，发展出原创的高阶静电力扫描探针技术，突破了“氢敏感”和“非侵扰”两大实验技术难题。那些看上去只差毫厘的分辨率和灵敏度，在真正的实验里，往往对应的是无数次调试、比对和推翻重来。对针尖状态的控制、对信号噪声的识别、对样品环境的把握，任何一个环节稍有偏差，结果都可能南辕北辙。

这套完全具有自主知识产权的尖端科学仪器设备，其探测灵敏度比国际最好水平高1个数量级以上，获得许多国际知名研究组青睐。

2022年，团队通过校企联合攻关，完成了光耦合qPlus型扫描探针显微镜国产化样机的研制，随后实现了该系统的整机国产化和市场推广，打破了我国高端扫描探针显微镜近40年来长期依赖进口的被动局面。

“要把简单的事做正确”

王恩哥常说一句话：“要把简单的事情做正确。”

所谓“简单”，是指问题本身往往并不繁复：一根氢键究竟有多强？一个质子会不会发生隧穿？原子核量子效应到底能不能忽略？恰恰是这些最基础的问题，最容易在长期沿用的习惯和近似之中被视为理所当然。

这也是王恩哥组建团队时最看重的东西：不是简单地把几个方向拼在一起，而是让真正擅长不同环节的人，围绕同一个关键问题形成完整链条。

在这个思路下，他们形成了一支能够从理论推演到高精实验、从原子尺度到宏观物性形成完整链条的队伍。

在团队看来，一个真正重要的科学问题，值得用几年甚至十几年的时间去验证它、捍卫它。一个好的科学问题能把最合适的人聚到一起；一支真正紧密协作的队伍，则能在质疑面前站得住脚。

2014年，团队首次获得水分子成像结果后，国际同行曾提出过“伪信号”等质疑。面对质疑，他们没有停留在争辩层面，而是继续沿着实验与理论两条主线不断推进。

科学上的说服，从来不是一句话完成的，而是在一次次独立检验和相互印证中逐渐建立起来的。随着证据不断积累，团队关于水体系全量子效应的一系列原创成果获得国际同行广泛认可。

今天，全量子效应研究的意义早已不止于“水”本身。全量子效应研究逐渐成为解决轻元素凝聚态体系物理问题的一种新范式。在更广泛的轻元素体系中，这一研究路径还有望为量子材料、能源转换、生命过程相关问题提供新的认识框架和应用场景。

读懂一滴水，王恩哥团队用了20多年时间。而原理的重大突破，使得一滴水之外，还有更广阔的未知等待被重新观察、解释与应用。