作者:戚金葆 王兆昱 来源:科学网微信公众号 发布时间:2023/12/21 20:35:59
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卡了两百年的难题,他们用反直觉方法一举攻克

 

“做那些能够活下去100年的理论,或者能写进下一本教科书的科学,对我来说才是最有意思的。”美国密歇根大学华裔教授孙文豪告诉《中国科学报》。他最近刚带领博士生,破解了一道困扰领域内科学家近200年的难题,并登上了 Science封面。

 孙文豪研究成果入选2023年11月24日Science封面

这个封面上展示的是意大利东北部的多洛米蒂山。1791年,法国地质学家Deo Dolomieu在这里首次发现并命名了一种新的矿物——白云石CaMg(CO 3) 2。白云石是一种热力学稳定的碳酸盐矿物,约占地壳沉积碳酸盐矿物的30%。
这种在自然界常见的物质,却有着非同寻常的生长机理。近200年来,科学家一直想在实验室中模拟自然环境合成白云石,可惜都无功而返。甚至美国得州大学奥斯汀分校教授Lynton Land在1998年的一篇文章中感叹:“尽管溶液对白云石的过饱和度超过1000倍,但32年后我们仍没有在25℃条件下从中沉淀出白云石。”针对白云石形成的原因,学术领域还有专门的术语——“白云石问题”。
最终,孙文豪带领博士生Joonsoo Kim找到了答案。

孙文豪(左)与博士生Joonsoo Kim(右)展示实验室生产出的白云石样本。受访者供图

关关难过关关过

这篇论文的缘起还要从孙文豪当年的博士论文说起。

2013年,孙文豪就读于美国麻省理工学院,正在准备博士毕业论文。那时,他打算做一些系统模型,以便通过计算去判断材料特性。为此,孙文豪寻找了很多矿石做材料研究。
前人做过很多关于白云石的研究,积累了丰富的实验数据,所以孙文豪也将其纳为研究对象。但他当时的研究仅仅搞清了白云石为什么在实验室长不出来,却没有进一步探究如何在实验室生长出白云石。
不过,这个疑问一直深深埋藏在孙文豪心里。直到2020年,已经成为副教授的他打算带着自己的博士生,一起向着这一“百年难题”发起冲击。
解决难题的路上,充满了各种挑战。此项研究的关键idea提出者——博士生Joonsoo Kim,在初次与孙文豪见面时,并没有给后者留下太多好印象。面对健谈的孙文豪,Kim表现得安静、内向。即使在看到他的漂亮简历后,孙文豪依然担心面前这位内向的学生将来能否成为自己在科研工作上的好搭档。
师生间的性格差异,只是重重困难中的“场外因素”。这项研究首先要弄清的就是,自然环境下,白云石究竟是如何生长的。
首先,计算就是一个难题。孙文豪介绍,白云石几百万年的复杂生长,就算使用量子计算机,每一个步骤都需要计算5000小时左右,而这样的步骤大约有一万多步。所以用常规的计算方法是行不通的。课题组便想办法更新计算方法,最终用了将近一年时间,把量子计算机上亿小时的计算量压缩到了用普通笔记本电脑半秒钟就可以完成。
通过计算模拟,他们发现白云石的生长总会被排列不规则的一层表面所抑制,只有把这层表面化掉,再重新排列出规则的一层表面后才能继续生长。
但是在实验室中,这层表面长的时候速度快,化的时候速度却非常慢。
后来Kim提出猜想:白云石在溶液浓度低的环境下化得快,把排列不规则的表层化掉后,再用高浓度的溶液促进其生长。“听到这个想法,我直接从椅子上跳了起来。”孙文豪回忆起当时开组会的场景。
随后在实地调查中,确实有证据表明形成白云石的地方有时会发大水,在发大水时浓度降低,大水过后浓度上升,并且自然环境中的溶液浓度不断在上下波动,这符合Kim的猜想。于是他们便按照这一思路开展实验。
然而,想要实现溶液浓度不断变化,在实验室里操作不是简单的事情。在设计了多套方案后,一次偶然的“废物利用”,让会做实验的人和不会做实验的人都“沉默”了。课题组在日本北海道大学的实验中要用电子显微镜(Electron Microscope)观测,通过电子束和电子透镜实现高倍数放大的成像。但它有一个缺点,就是在观察液体中的样本时,仪器打出的电子束可能会分解水,产生酸,对样本产生破坏。
孙文豪他们突发奇想,这个所谓缺点其实是优点:电子显微镜对样本的破坏,就是这一实验最想要的“化掉”这一步。普通的办法让白云石化掉一层可不容易,有了电子显微镜,开关一开,溶液里的白云石就化掉一层;开关一关,白云石就开始生长。如此反复,就实现了最理想的实验状态。
孙文豪总结为“走两步,退一步。退步是为了更好地生长。”
因此,通过计算模拟、实地考察、实验复刻,孙文豪带领课题组成功实现了在实验室高效、快速地生产出白云石。

前路漫漫亦灿灿

“为什么这个问题200年了都没人解出来,我认为做科学研究时,反直觉很重要。”孙文豪向《中国科学报》介绍道。在“白云石问题”的研究中,科研工作者往往会按照基本热力学定律去思考这一问题,因此才会有了在高浓度溶液中沉淀32年,依然生长不出白云石的情况。这个时候“反直觉”就很重要了,跳出惯性思维,从现有知识的枷锁中跳脱出来,有时就会有新的发现。

“这是200年的老问题了,只要能把问题搞清楚,我们再多花一年也没问题。”在研究的最后一年,孙文豪为了安慰学生静下心来,不要着急,说出了这番话。他还常用种西红柿和红木树来向学生讲解对待科学研究应有的态度:“如果明天种西红柿,再过两三个月就得到西红柿了。但是要种一棵红木树,就算再过10年,红木树苗看上去还是很小,好像做不了什么。但是再过50年,你可能还在吃西红柿,而我就会拥有一片红木树林了。”
跟随自己的好奇心,脚踏实地做有价值的科学研究,做能够写进下一本教科书的科学研究,做能够再用100年的科学研究,是孙文豪信奉的科研精神。他也不断在教育教学中,将自己对于科研的态度潜移默化地传授给学生。
在孙文豪的人生中,也有一位对他影响至深的老师。
孙文豪从小学习小提琴。他的启蒙老师习惯在他拉完一段乐曲后说哪里不对、哪里不好,然后让他改正错误,如此往复。这种遇到错误、解决错误的学习方式,对孙文豪来说收获太少了。不久,家人就给他换了另一位老师,而这位老师的教育方法对孙文豪产生了重要的影响。
与第一位老师不同的是,每次孙文豪拉完一段乐曲后,这位老师都会问,“你觉得怎么样?你感受如何?”当孙文豪总结出问题后,老师就会说:“你能认识到问题,这是第一个重要的事情。出问题的地方我来教你怎么做,我告诉你是为什么。”而第二个重要的事情,就是每次课程结束后,老师会告诉孙文豪回家后应该怎么练习,这样就不用等到每周见到老师时才能进步,掌握了方法后,自己时时刻刻都可以进步。
这样的教育观念,在孙文豪带学生后也充分发扬了出去。“一开始学生遇到问题我都去帮他们解决,每一步都要跟他们讲,每一步都要给他们规划好,他们就好像是执行工作的工具人。我讲的越多,他们遇到的问题越多,也就变得越来越着急。”

后来,孙文豪决定只给学生们说一个大方向,基本的知识和逻辑要教,但是具体问题该如何解决,就让学生们自己去想,充分调动学生们的主观能动性。“白云石问题”的解决,很好地说明了这样的方法是广泛适用的。

他乡不忘中国心

记者问他:“如果有机会的话,你会回国吗?”孙文豪不假思索地说:“绝对会!”

孙文豪从小在美国长大,很少回中国。但是在接受《中国科学报》的采访时,他始终坚持使用中文交流,虽然有些时候他会说:“这个问题如果用英文说我可能会表达更好些,但没关系,我们还是讲中文吧。”
坚持讲中文的孙文豪来自“科学世家”,他的爸爸、妈妈和爷爷都是地质学家。特别是孙文豪的爷爷,在年轻时是走遍祖国山河,为国家寻找石油的科学家。而热爱祖国、崇尚科学的种子,也在聆听亲人讲述一段段动人往事时悄然种下。
孙文豪回忆说,小时候父母总是逼着自己学中文、讲中文。平时在家里的时候,电视机里放的都是《我爱我家》《还珠格格》等国产电视剧。有时候即使在做其他事,也都开着电视,放着声音,算是一种潜移默化的熏陶。
在这样的家庭氛围下,孙文豪作为中国人的文化认同感逐渐建立起来。有时候被其他人问道:“你的英文名是什么?”孙文豪很自然地回答:“WenHao Sun。”别人以为孙文豪没理解自己的意思,又补充道:“不不不,我的意思是美国的名字,American name,比如约翰、乔治之类的。”孙文豪依然肯定地回答道:“是的,我就叫WenHao Sun。”孙文豪认为不管怎么样,自己都是中国人,无论在哪里都要有文化自信,这是他从未动摇过的态度。
拥有踏实的心态,瞄准前沿目标,孙文豪将继续在高维相图等方向开展研究。未来,他很希望和中国的科学家展开合作,一起为“写进下一本教科书”的知识而努力。
相关论文信息:
https://doi.org/10.1126/science.adi3690
 
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