2022年的一個深夜，高文旆接到了學(xué)生Jacob G. Smith的電話：“文旆，我這邊的實驗結(jié)果，可能提示了一種新的反應(yīng)機制。”學(xué)生的興奮之情溢于言表。
當(dāng)時，他還在美國北卡羅來納州立大學(xué)任材料科學(xué)與工程系助理教授，兼任先進儀器中心首席電鏡科學(xué)家。憑借一臺能在原子尺度清晰分辨材料的電子顯微鏡，高文旆發(fā)展了為材料化學(xué)反應(yīng)過程“拍攝電影”的方法。
高文旆的學(xué)生和他一樣，喜歡在深夜做電鏡實驗。漫漫長夜，周遭的靜謐能讓人更專注，眼睛也變得更為敏銳，能夠捕捉微觀世界中易被忽視的現(xiàn)象。
面對學(xué)生所說的“新機制”，高文旆并沒有立即下結(jié)論。十余年與電子顯微鏡打交道的經(jīng)驗，讓他很清楚：任何新發(fā)現(xiàn)，都需要更多實驗與理論分析的反復(fù)驗證。
2024年2月，這項研究發(fā)表于《科學(xué)進展》。通過使用先進的電子顯微學(xué)技術(shù)，高文旆與合作者采集到了納米顆粒生長的完整化學(xué)反應(yīng)路徑，并且捕捉到了歧化反應(yīng)和還原反應(yīng)在原子尺度的發(fā)生方式。
從最初發(fā)現(xiàn)到反復(fù)重復(fù)和驗證，需要精力和時間積累。實驗結(jié)果最終發(fā)表時，高文旆已經(jīng)回國一年半了。他加入上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、張江高等研究院未來材料創(chuàng)制中心，跟學(xué)生們開始了新的探索。
拍一部原子級“短劇”
對材料學(xué)家而言，“看”是第一步。有經(jīng)驗的人，往往可以通過材料細微的顏色、紋理等的變化，發(fā)現(xiàn)新奇的現(xiàn)象。但若想進一步探明這些變化出現(xiàn)的原因，則需要另一雙“眼睛”的幫助，那就是電子顯微鏡。
“比如我們現(xiàn)在正在用的賽默飛Spectra 300場發(fā)射球差校正透射電子顯微鏡，分辨率能夠達到50皮米，大約是一個原子的1/3左右。從原子的維度看清材料內(nèi)部的構(gòu)造，這是材料研究中目前最重要的技術(shù)之一。”高文旆說道。
從在北京大學(xué)物理學(xué)院讀本科開始，高文旆就和電子顯微鏡結(jié)下了深厚的情誼。
而和電鏡相處的日日夜夜，頗像一部有些套路化的短劇。
初見面時興奮——坐擁這么昂貴的“超級照相機”，去拍攝前所未見的微觀世界。
時常要安排些心跳環(huán)節(jié)——好不容易把一個毫米大小的樣品打磨成幾十納米的薄片，結(jié)果一不小心碎了，于是心也“碎了”，只能從頭再來；或者所有環(huán)節(jié)都順利度過了，在電鏡下一看，樣品卻被污染了。
偶爾也會被打臉——在學(xué)生面前賣弄經(jīng)驗和技術(shù)，到實驗室坐下來，發(fā)現(xiàn)結(jié)果和猜測的完全不同。
但最后的結(jié)局總會是圓滿的——一張清晰的電鏡圖片、一部原子跳躍的電鏡影像，讓一切辛苦付出變得值得，無論是不是“聞所未聞”的劇情，都一定是“見所未見”的場景。
“2024年發(fā)表的這項工作，就是發(fā)現(xiàn)了一個全新的現(xiàn)象。”高文旆回憶道。
他和團隊從鉑（Pt）的前驅(qū)體氯亞鉑酸鉀（K2PtCl4）入手，試圖在分子尺度上探測化學(xué)鍵斷裂與形成的過程。他們利用透射電子顯微鏡（TEM）、四維原位掃描透射電子顯微鏡（In-situ 4D-STEM）、超快速CMOS相機等設(shè)備，把以往只能通過計算和理論推導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)過程變成鮮活的照片和視頻。
在超高分辨率電鏡下，Pt顆粒成核的過程被清晰記錄下來。一開始，每個2價Pt離子周圍規(guī)規(guī)矩矩圍著4個Cl離子。隨著反應(yīng)進行，Pt和Cl之間的化學(xué)鍵開始變?nèi)酰恍㏄t離子乘機“搶占”周圍的2個Cl原子，把自己包裹得嚴(yán)嚴(yán)實實，變成4價離子，被搶走小伙伴的Pt就變成了0價的“光桿司令”。隨后，這些4價的Pt離子又被還原成2價，重復(fù)上述過程，直到2價Pt離子之間距離足夠遠，無法再碰到一起。
如果從宏觀尺度描述，就是溶液中Pt離子經(jīng)過反應(yīng)變?yōu)镻t顆粒的過程。“這就是中學(xué)課本里提到的歧化反應(yīng)，但以前從未有人在分子尺度，把這個反應(yīng)拍得這么清楚。”高文旆表示，“這項工作也讓人們對Pt顆粒生長過程有了新認(rèn)識。因為過去普遍認(rèn)為，反應(yīng)過程中只存在2價到0價的單向變化過程。”
在此基礎(chǔ)上，高文旆的團隊發(fā)展了“化學(xué)反應(yīng)原子影像學(xué)”這一方法。順著這個思路，他很自然地想到，可以在其他類似的方向試試。
“在電子束下”設(shè)計催化劑
2022年7月，高文旆離開學(xué)習(xí)、工作了12年的美國，加入上海交通大學(xué)，開展針對功能材料界面表征和構(gòu)筑方法的研究。這個聽起來非常基礎(chǔ)的方向，其實與日常生活息息相關(guān)，也在很多方面涉及氫能等新能源的發(fā)展走向。
氫能源的優(yōu)點是密度高、穩(wěn)定且綠色環(huán)保，但缺點也很明確。以氫氣為例，其制備依賴銥、鉑等貴金屬，生產(chǎn)成本高，此外氫氣密度低且“易燃易爆”，若想儲存和運輸，通常需要先利用物理或化學(xué)的方法將其壓縮，這對設(shè)備成本及安全性要求極高。
作為氫能源的重要形式之一，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）近年來備受關(guān)注。PEMFC是一類高效、環(huán)保的清潔能源轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過電化學(xué)反應(yīng)直接把氫轉(zhuǎn)化為電能，用于新能源汽車等領(lǐng)域。
當(dāng)前，陰極氧還原反應(yīng)（ORR）速率緩慢限制著PEMFC的實際應(yīng)用，亟須開發(fā)合適的催化劑。
基于電鏡這一利器，高文旆與合作者先是耐心觀察了鉑鐵（Pt-Fe）合金催化劑在不同溫度下的形態(tài)，確定了誘導(dǎo)一維Pt-Fe納米線表面原子有序化的同時保持形狀的最佳退火條件。
進一步地，聯(lián)合團隊摸索出一套新策略，通過限制Pt-Fe納米線表面層的原子擴散，顯著提高了催化劑在ORR中的循環(huán)穩(wěn)定性，在保持高催化活性的同時減少了催化劑活潑金屬的損失，為高活性燃料電池的可持續(xù)應(yīng)用發(fā)展提供了新的實用化路徑。
在另一項工作中，高文旆又與合作者探究了Pd@Pt-Co催化劑低溫?zé)崽幚磉^程中的原子擴散行為，進而實現(xiàn)了晶面可控的金屬間化合物的設(shè)計和制備，為后續(xù)復(fù)雜體系中晶面可控有序化轉(zhuǎn)變的實現(xiàn)提供了策略。
在高文旆看來，每一個研究聚焦的內(nèi)容都很小，只能在某幾個小點上取得“冒尖式”的突破。但隨著一個個針尖從不同地方扎出來，最終會變成一個平面，推動一些重大科學(xué)問題的解決。
“如果沒有透射電子顯微鏡近年來取得的突破，我想很多材料科學(xué)的發(fā)現(xiàn)都會滯后很多年。”高文旆再次強調(diào)，“不可否認(rèn)，我們的工作目前離實際應(yīng)用還很遠。但包括新能源、信息材料等方面的研究，最終都要落實在理解原子間的相互作用上。一方面，對科學(xué)探索的機制追求推動了先進科學(xué)儀器的開發(fā)；另一方面，也正是使用先進科學(xué)儀器獲得的科研成果推動了科學(xué)的發(fā)展。”
以“微生物”撬動“大產(chǎn)業(yè)”
“只有知其所以然，講清楚其中的科學(xué)機理問題，才能更好地改造和利用微生物。”上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院長聘副教授鄭艦艇和高文旆的想法十分相似。
10月22日，由賽默飛發(fā)起的“先進顯微分析技術(shù)研討會暨分析π全國巡回技術(shù)沙龍”來到了上海交通大學(xué)。
活動現(xiàn)場，記者見到了鄭艦艇。“我從博士期間開始研究鏈霉菌，到現(xiàn)在也快20年了。”鄭艦艇介紹，鏈霉菌是一類非常有用的微生物，能夠生產(chǎn)抗生素、抗腫瘤藥物等多種具有重要價值的生物活性物質(zhì)。由于其在土壤改良、植物促生抗逆、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建和維持中起到的重要作用，今年4月，鏈霉菌還跟隨神舟二十號乘組去了趟空間站。
然而，過去很多時候，人們只是知道鏈霉菌有用，卻不知道它為什么有用。鄭艦艇團隊正是希望從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度，探明鏈霉菌這個“工廠”的具體運行機制，從而進一步提高相關(guān)化合物的產(chǎn)量，并助力工業(yè)生產(chǎn)。
多年一線工作，使得鄭艦艇對前沿技術(shù)的發(fā)展有著敏銳的感知度。當(dāng)電鏡發(fā)展起來后，原本精于X射線衍射的鄭艦艇，成為了上海交通大學(xué)分析測試平臺最早的冷凍電鏡用戶。
“冷凍電鏡是從分子機制探明機理的最佳手段之一，我們由此能夠知道很多以前不了解的機理，進而針對性地改造微生物。”鄭艦艇說道。
近年來，團隊的一項代表性工作，就是通過冷凍電鏡技術(shù)和體外生化實驗，揭示了鏈霉菌抗生素調(diào)節(jié)蛋白家族AfsR激活抗生素生物合成基因轉(zhuǎn)錄的機制。鄭艦艇表示：“AfsR廣泛存在于多種鏈霉菌中，是一個常見的抗生素正調(diào)控因子。我們解析了它和啟動子、RNA聚合酶復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，就能知道它們之間是如何互作的。而有了結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)，我們就可以進一步改造AfsR，最終提高抗生素生物合成的產(chǎn)量。”
“冷凍電鏡技術(shù)在微生物中的應(yīng)用仍處于起步階段。”鄭艦艇坦言，“反過來說，我們還有很多利用電鏡解析未知的機會。”
他和很多同行一樣，希望能夠在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究之間搭建橋梁，以“微生物”撬動“大產(chǎn)業(yè)”。
雙向奔赴
上海交通大學(xué)分析測試中心成立于1983年，目前下設(shè)五個儀器平臺、三個技術(shù)中心以及實驗動物中心、張江分平臺和病原微生物實驗室（BSL-2），有268臺開放共享設(shè)備。
“分析測試中心將上海交通大學(xué)高水平科學(xué)家、優(yōu)秀實驗技術(shù)人員、高精尖儀器三大優(yōu)勢充分整合，為科研項目提供更優(yōu)質(zhì)的‘全過程’解決方案、更高效的‘一站式’科研服務(wù)。”上海交通大學(xué)分析測試中心主任陳峰介紹，目前，中心的服務(wù)范圍已覆蓋全國32個省級行政區(qū)，校外用戶超1.1萬個。
高文旆對于學(xué)校的支持非常感激：“分析測試中心對科研人員提供了非常大的助力，尤其是像我這樣剛組建的課題組。”
高文旆具體總結(jié)了三個方面。首先，豐富的儀器設(shè)備和成熟的運營經(jīng)驗，免去了新PI空有想法卻無法驗證的煩惱。其次，中心的工作人員大多經(jīng)受過嚴(yán)格的科研訓(xùn)練，且長期關(guān)注新技術(shù)，能夠充分理解科研人員的需求。最后，針對一些新需求，中心也能及時反饋給相關(guān)設(shè)備商，推動儀器設(shè)備的升級。
回顧歷史，高端科研儀器的發(fā)展，是科學(xué)史發(fā)展中不可磨滅的印記。儀器設(shè)備的更新?lián)Q代往往源于科學(xué)家的實驗需求，而電子顯微鏡、太空望遠鏡、粒子對撞機等實驗設(shè)施和裝置的出現(xiàn)，又從根本上改變了科研范式，加速基礎(chǔ)研究發(fā)展。
“我想，我們在使用儀器時發(fā)現(xiàn)的問題、冒出的新想法，也終將會推動新技術(shù)的誕生。”高文旆笑道，“我從本科就開始用電鏡了，球差校正透射電鏡更是一代都沒錯過，也算是見證過電鏡技術(shù)的不斷升級換代了。當(dāng)然，我也希望未來有機會可以嘗試最新的Iliad球差校正（掃描）透射電子顯微鏡。”
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