文|《中国科学报》记者 王昊昊

4年多前加入新加坡国立大学时，毛献文就决定学习新事物，进入尚未被充分探索的方向，并招聘新方向的“外行”作为团队成员。此前，他先后在美国麻省理工学院攻读化学工程博士、在康奈尔大学开展超分辨荧光显微镜系统研究。

毛献文如今是新加坡国立大学助理教授。回想入职第一天的第一次面试，他仍对当时的决定“有点不敢相信”——他招聘了与其研究方向几乎不相关、现为英国剑桥大学化学系玛丽·居里博士后研究员的张魏栋。两个对彼此领域都听不太懂的人，就此一起探索新事物。

没想到，他们真做到了。在电池研究领域，人们早就知道离子的行为决定着电池性能，但长期以来，没有人真正“看见”过单个离子的反应过程。毛献文团队开发了一种名为“离子定位光学纳米成像”（ION）的新技术，使科学家能够在电池运行过程中，观察单个离子在电池内部的移动与反应。该成果近期发表于《自然-材料》。

一场面试，两个“外行”

2021年12月，毛献文加入新加坡国立大学。这对他而言是真正意义上的从零开始。

此前他从未去过新加坡，也从未和当地科研机构合作过。等着他的，是一个要靠自己从头搭起的新课题组。

“新起点新作为，我想做点新东西。”毛献文没有走最熟悉、最稳妥的路径去搭团队，而是一直在找新方向。他有意识地找研究背景不同但能互补的人：“真正有创造力的问题，往往诞生于不同知识体系的碰撞，而非单一轨道上的重复推进。”

▲毛献文（右）和团队成员开展研究。受访者供图

入职第一天，毛献文就急切地安排了课题组几个博士后线上面试。其中一场，正是与张魏栋的交流。这场看似普通的面试，成了日后ION方法最早的起点之一。

当时，张魏栋主要从事锂金属电池界面反应研究，想找突破传统表征技术空间和时间分辨率限制的新方法；毛献文则长期从事单分子光学成像等研究，擅长用光学手段捕捉纳米尺度甚至单分子尺度的动态过程。

“你不懂我的研究，我不熟你的方向，我们是两个‘外行’。”毛献文说，他们一个研究电池体系中的离子反应行为，一个研究如何让纳米世界变得可见，研究背景完全不同。

面试中，双方都对彼此研究方向颇感兴趣。但张魏栋更多的是担忧：“研究方向差距相当大，能不能形成有效合作路径是个大问号。”

毛献文反而不担心，他本来就想找这样的研究伙伴。“很多复杂的现实问题并不会按照学科边界来出现，解决问题的路径也不应该被单一学科框住。我和魏栋的研究本质上是可以衔接起来的，这种跨学科结合更能孕育出新的研究方法。”毛献文说。

他还向张魏栋讲起自己的经历。在麻省理工学院时，毛献文曾辅修经济与金融。对于一位专注材料科学和光学成像的学者而言，这样的组合并不常见，这也因此常常成为别人看他简历时最先注意到也最常问起的一点。

“这种跨学科兴趣并不是履历上的点缀，是我一直以来坚持的教学和科研理念。”在新加坡国立大学，除了教授自己最熟悉的材料科学相关课程外，毛献文还在商学院讲授EMBA课程，关注如何连接科学与商业，以更系统的方式应对可持续发展相关挑战。一番分析之后，张魏栋决定来试试。

▲毛献文

“能聊到一块去了”

尽管双方都看到了合作潜力，但真做起来，挑战才显现出来。

毛献文说，这是一次得从头建立共同语言的艰难探索。离子在哪里反应、反应是否均匀发生、不同区域之间是否存在协同行为……这些看似简单的问题，在电化学和光学成像两个领域的研究者听来，意味着完全不同的研究路径、实验设计和评判标准。很多讨论不得不从最基本的概念重新开始解释。

张魏栋对一次长谈记忆犹新。那天，两人围绕研究的整体思路展开集中讨论，从上午9点一直持续到中午，不断推翻设想，提出新的路径。短暂休息后，他们决定接着聊，非要把关键问题厘清不可。下午讨论开始前，张魏栋特地买来了咖啡，希望帮助保持思路的连续性。那天下午的讨论异常顺利，分散的想法逐渐汇聚起来，ION方法最早的技术框架也在这次连续讨论中逐渐成形。

“不过后来毛老师笑着提到，那杯咖啡让他当晚几乎没睡着。”张魏栋说，这种围绕一个问题反复推敲、持续数小时甚至一整天的讨论，是团队的工作常态。

两个不同方向的人，该研究点啥？正是那次讨论，让一个原本看似难以实现的构想逐渐清晰起来：能不能真的让电池反应过程被“看见”？

难点在于，在电池体系中，离子反应通常发生在固液界面，空间尺度极小、反应过程极快，而且往往被复杂的电解液环境所掩盖。传统电子显微技术虽然具有极高的空间分辨率，却通常需要在真空条件下工作，难以实现真实工作环境中的原位观测。科学家长期只能通过测量整体电流、电压等宏观信号，或对循环后的电池进行“解剖”分析，间接推测离子反应机制，而无法直接观察单离子反应过程。

讨论逐渐集中到一个关键思路上，既然离子本身不可见，是否可以把离子反应转化为能够被光学记录的信号？

团队据此把单分子定位显微方法引入电化学体系。其原理是构建能响应特定离子的荧光探针，把原本不可见的反应过程转化为可被精确定位的光信号。当电极表面发生离子溶出反应时，释放出的金属离子会与溶液中的荧光探针结合，从而产生瞬时的单分子荧光闪烁信号。这些离散出现的荧光事件，就像黑夜中逐渐亮起的一颗颗星星，虽然单个信号转瞬即逝，但通过成千上万个信号的叠加和精确定位，使得单离子反应过程拥有了可被直接记录的清晰轨迹。

这最终成为ION方法的核心框架。通过ION技术，研究团队实现了约50纳米的空间分辨率和20毫秒的时间分辨率，使研究人员能在真实工作条件下实时记录电池界面反应在不同位置和不同时间的演化过程，将光学显微技术推进到单离子分辨水平。

▲离子定位光学纳米成像原理示意图。受访者供图

修改近百次的论文

如果说ION技术是在反复讨论中“磨”出来的，那此次成果的论文，则是被“改”出来的。

张魏栋说，毛献文的研究推进方式让他眼前一亮。以往做课题时，常见的路径是先完成一部分实验，出图表、补数据，再进入论文下一部分。毛献文却鼓励大家边做实验，边同步写作和重构框架，让实验推进和叙事建构彼此反馈、彼此推动。

“论文并不是等到所有结果尘埃落定后再被‘整理出来’的，而是在研究尚未完成时，就开始不断被书写、被质疑、被推翻、被重建。”张魏栋说。有时，毛献文会把整篇稿件“从头到尾”大调一遍，整体改写逻辑、图表安排和论述方式。对团队成员而言，这种节奏绝不轻松。但也正因如此，论文一直在动态演化，而不是在一个固定框架里做局部修补。

张魏栋认为，这体现出一种成长型思维。研究靠不断修正去逼近真正重要的问题，不按预设步骤机械推进。这篇论文前后改了近100版，花了约两年才完成。“主要是在逻辑主线、数据支撑、图文表达和语言细节上反复打磨。”张魏栋说。

有一次，张魏栋忍不住抱怨修改太多、周期太长。毛献文举一个例子来回应：“我的一项发表于Nature Chemistry的成果，前后做了近10年才完成，我常常跟团队成员说，真正重要的工作，往往需要比预想更长的时间去打磨。这既是安慰，也是一种提醒。”

张魏栋把毛献文的带人风格概括为“既hands-on（亲为）也hands-off（放手）”。hands-on，是指他会亲自参与很多关键训练，写代码、处理数据，做光学成像相关实验，他都会花时间带学生和博士后上手，帮他们真正理解方法背后的逻辑。这种直接参与，让团队成员能更快跨过不同学科间的门槛，也更有底气进入并不熟悉的技术领域。

hands-off，则是指他不僵化管理，不要“打卡式”地签到签退，也不过度规定每个人必须以何种节奏工作。相反，他更强调给研究者足够的自由，让大家能够围绕真正有兴趣的问题展开探索，容纳不确定性，也容纳那些暂时看起来“不那么像主线”的新想法。

“这种开放、包容又严谨的研究氛围，让跨学科和创新想法有了生长的土壤。”张魏栋说。

“看见”的不止离子

当单离子反应事件的空间分布图呈现在眼前时，一个令人惊讶的现象被揭示出来。

长久以来，电池电极材料在宏观上被视为相对均匀的体系，研究者往往通过平均化的模型来描述其行为。但ION技术的观测结果展示了一幅截然不同的图景：在看似均匀的电极颗粒内部，不同区域之间的反应行为实际上存在天壤之别。

一些区域像繁华的都市，离子反应极活跃，荧光信号密集地亮起与熄灭；而另一些区域则如同寂静的乡村，反应明显滞后，很长时间都捕捉不到几个信号。这表明，电极反应绝不是传统认识中的均一过程，而是具有显著空间异质性的动态过程。

“这就像从只能听到乐团合奏的整体音响，到能够分辨出每一件乐器在何时、以何种方式发声。”毛献文说，传统表征技术给出的是整个乐团的“平均响应”，而ION方法则让我们听到了单个小提琴手、单个号手的独奏，从而对音乐的结构有了完全不同的理解。材料体系中，ION技术捕捉到的，正是单个局域事件如何发生、如何彼此影响又如何共同构成整体行为的微观图景。

更为重要的是，研究团队还观察到不同区域之间存在有趣的协同行为：一个区域的反应活动增强，常带动邻近区域的反应节奏。他们通过进一步分析，能够在单颗粒内部直接测量并区分出由电子传输和表面原子扩散引起的两类界面反应耦合机制，并建立了描述界面反应均匀性的定量分析方法。

这种局部区域之间的相互影响，为理解电极材料的退化过程提供了前所未有的直接证据。也就是说，随着电池的反复充放电，少数最初“活跃”的区域会率先发生结构损伤，而这种损伤会通过局部的协同作用，像病毒一样逐渐向其邻近区域扩散和蔓延，最终导致整个颗粒性能的下降，表现为电池容量的持续衰减和寿命的缩短。这些亚颗粒尺度上的反应不均匀性，被证明是导致电池性能衰减的关键微观来源之一。

“我们不仅看到了离子，更看到了电池‘生病’和‘衰老’的动态过程。”毛献文说，ION技术的意义远不止于为电池研究打开了一扇窗，它使研究人员能够直接观察电池材料在真实工作条件下的反应行为，从而从微观机制层面理解材料性能演化过程。期待这一成果助力先进能源材料研究进入单离子尺度精准调控的新阶段。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41563-026-02567-w