杨学明:每个化学反应过程都很特别,从反应物到产物有一个过渡的状态,就是过渡态。20世纪30年代,Eyring和Polanyi提出化学反应过渡态理论,即化学反应的关键在于理解其短暂的过渡态,在这千万亿分之一秒内,原子之间旧键断裂,新化学键形成。
这个过程决定了它属于哪种化学反应、反应速率有多快、生成哪种产物。这是化学动力学研究中最重要的课题。直接观察反应过渡态被认为是化学研究中的圣杯。7名化学家因开发了阐明这些过程的科学工具和实验,分别在1967年、1986年、1999年获得诺贝尔奖。
过渡状态也有一些特别的量子态存在,对化学反应有非常重要的影响。我们的工作就是发展新的实验方法,观测这些量子态的特性,结合理论诠释它们,使我们从量子层面对化学反应过程了解得更透彻。
几何相位效应是一种特殊的量子现象,在物理和化学领域有广泛和特别的意义。我们通过新的实验方法和实验仪器的发展,首次在世界上观测到了化学反应中的几何相位效应,从而研究化学反应非常特殊的机理。
总的来说,这些工作是非常基础性的,化学动力学本身就是基础性的学科。这些工作的意义也并不是在某一个反应上,而是具有普遍的意义。对基本化学过程的理解,也能推动具体应用领域的发展,比如大气化学、燃烧化学、星际化学等。
新京报:由于有了一系列自行研制的原创科学仪器做支撑,你带领团队在化学动力学领域取得了很多重大科研成果。在研制科学仪器时曾遇到什么困难,如何攻破?
杨学明:我研制科学仪器,通常是想得很透了再去做。因为我们做仪器不容易,首先要筹措一笔经费,还要想办法做出好的仪器,解决想要研究的科学问题。这个过程中有很多挑战,包括技术性的挑战。
所以首先要提出非常好的设计方案,方案中提出关键的问题,比如技术性能,所以要对技术的前沿有充分的了解,比如技术发展到了什么水平?我们能用到什么水平?这是最关键的问题。
每个仪器都不一样,怎么来凸显我的仪器的独特性和先进性,要能做其他人做不了的实验,这也是研制仪器之前就必须要想好的。后续研制也遇到过很多问题,比如超高真空、激光技术等问题,每一个都需要去攻克,这样才能做出世界最好、真正领先的科学仪器。需要注意的是,单项技术虽然很重要,但更关键的是把各种技术集成做好,因为现在的科学仪器是非常复杂的,是各种先进技术的集合。
研发科学仪器是系统工程,而最重要的需要与科学问题紧密结合,真正把技术和科学结合起来,这样才能做出世界一流的科学仪器。
新京报:你在大学有自学量子力学的经历,对现在的年轻学子,你有哪些学习方法和经验可以分享?
杨学明:我认为自学能力的培养特别重要,年轻人在大学学习或者研究生学习时要有这样的精神,而不是所有知识的获得都依赖老师。随着互联网的发展,大家获得知识的渠道更加丰富、方式也更加便利,应该充分利用这样的环境去学习和探索,人的发展是累积的过程。
我在读研究生的时候,导师张存浩院士给了我一个非常好的建议——刚开始读研时,要花95%的时间做课题方面的研究和学习。但慢慢地,也应该多花一点时间涉猎一些别的方向,这样才能扩大自己的视野,对更多学科有更好的理解和把握,也会大大帮助自己的研究方向。我认为这非常有道理,多年来,我受益于这样的思想,从更宽的视野和学科角度来认识化学和物理世界。
人物简介
杨学明,南方科技大学副校长、中国科学院院士、中国科学院大连化学物理研究所研究员。
过去二十年,他利用自行研制和原创的一系列国际领先的科学仪器,在化学反应动力学研究方面取得了系列性的、备受国际瞩目的重要研究成果。他的系列性研究工作将化学反应动力学实验研究推到了前所未有的高水平上,并通过与理论学者的合作,解决了化学动力学研究领域长期存在的一些科学难题,在反应过渡态动力学以及非绝热动力学研究方面作出了重要贡献。
新京报记者 张璐
编辑 樊一婧 校对 刘军