北京大學王恩哥院士團隊：25年，看“清”一滴水｜聚焦國家科學技術獎

“水的結構是什么”，這是《科學》雜志在創刊125周年特刊中提出的125個世紀難題之一。

水，無處不在，看似尋常，卻是科學家眼中最神秘的物質之一，還有許多未解之謎。

7月8日，2025年度國家科學技術獎揭曉，北京大學王恩哥院士團隊憑借“水的氫鍵強度及動力學過程全量子效應研究”成果，獲得國家自然科學獎一等獎。該成果揭示了水這一復雜系統的全量子特性，攻克了水與冰結構的世界公認難題。鮮為人知的是，這份沉甸甸的榮譽背后，是團隊歷時25年甘坐“冷板凳”的堅守。

團隊合影

追問水背后的量子規律

這項成果之所以引人注目，是因為它觸及了一個物理科學中的根本問題。

1927年，玻恩和奧本海默基于薛定諤方程提出電子態絕熱近似，在該范式下，通常把原子核當作經典粒子來處理，只對電子進行量子化，從而大大降低了計算和模擬難度。此后百年成為解決凝聚態物理問題的出發點。

“核量子效應真的可以忽略不計嗎？”這一疑問長久縈繞在王恩哥心頭。2002年，王恩哥和美國物理學家費貝爾曼有一場關于水在金屬表面能否自發分解的科學爭論。爭論中，王恩哥愈發意識到，“玻恩—奧本海默近似”應該進行一些突破。

王恩哥在辦公室

“全量子效應”在王恩哥的腦海中逐漸清晰。他選擇“水”作為突破口，因為它由輕元素構成，其中質量最小的氫原子占了三分之二，最有可能顯現出顯著核量子效應。

圍繞這一問題，王恩哥帶著學生一頭扎進了水的量子世界，用25年時間，在理論與實驗兩條路徑上持續推進：建立了超越“玻恩—奧本海默近似”的物理研究框架，實現對電子與原子核自由度全量子描述；首次“看見”水分子的氫原子和識別單根氫鍵，定量揭示核量子效應對氫鍵的重要貢獻，并進一步把研究從觀測和解釋推進到調控。

他們做的，正是把科學界長期被簡化掉的那部分“找回來”：把原子核量子效應系統性納入研究之中，從氫原子波粒二象性的角度，重新理解水、冰等輕元素物質背后的深層規律。

團隊首次發現的質子“協同隧穿”新機制與二百多年來用于描述質子分步傳輸的“Grotthuss”機制。

打造尖端儀器看見“最小”原子

時間回溯到2014年，北大物理學院量子材料科學中心。高分辨掃描探針顯微鏡下，信號滋滋傳來，水分子內部單個氫原子及水團簇中單根氫鍵的圖像生成了！那一刻，團隊實現了人類在表面上直接“看見”最小原子的夢想。

團隊核心成員、北京大學物理學院教授江穎至今記得，2010年初，時任北大物理學院院長的王恩哥找他談了整整一個下午。他們的話題是一個當時充滿不確定性的方向：能否在實驗上真正探測到水中原子核的量子效應？江穎聽著有些將信將疑，但他還是決定試試。

江穎在操作高分辨掃描探針顯微鏡。

彼時，對于單個氫原子、單根氫鍵這樣小的結構進行成像，還是一個未被攻克的難題。要跨過這一步，實驗技術必須同時滿足兩個苛刻條件：既要對氫足夠敏感，又不能在探測過程中對脆弱結構造成明顯擾動。

這些年，團隊持續改進高分辨掃描探針顯微鏡系統，發展出原創的高階靜電力掃描探針技術，突破了“氫敏感”和“非侵擾”兩大實驗技術難題。這套完全具有自主知識產權的尖端科學儀器設備，探測靈敏度比國際最好水平高1個數量級以上，打破了中國高端掃描探針顯微鏡近40年來長期依賴進口的被動局面，如今已實現國產商業化生產和市場推廣。

把簡單的事情做到極致

團隊并不滿足于“看到”，而是進一步走向“調控”。2022年，團隊實現了對核量子效應的人工增強，創造出打破“冰規則”的二維冰結構，并在后續研究中觀察到常壓下絕緣態到金屬態的轉變。這意味著，全量子效應研究正從基礎認知走向主動設計，為理解和調控物質形態打開新空間。

通過調控核量子效應得到的二維冰新物態。

隨著證據不斷積累，團隊關于水體系全量子效應的一系列原創成果獲得國際同行廣泛認可。全量子效應近年來已成為凝聚態物理研究非常活躍的新領域之一，國際學術界評論稱“核量子效應研究進入主流”。

“25年前，很多人會覺得水有什么好研究的，太簡單了。”王恩哥笑著回憶。但他堅信，把簡單的事情做對，就是不簡單。一個真正重要的科學問題，值得用幾年甚至幾十年的時間去驗證它、捍衛它。

江穎表示，王老師獨到的學術視野與科學品位，始終為團隊領航定向。“他時常告誡團隊成員，做科研切忌盲目跟風、追逐熱點，要敢于直面真正重大的科學難題，培養甘坐冷板凳的定力與毅力，從而實現從0到1的原創性突破。”在他的引領下，團隊也養成了追求極致的科研作風。

如今，全量子效應研究的意義早已不止于“水”本身。“過去一百年，物理學家通過研究電子的量子態，徹底改變了我們的生活；未來一百年，我相信從全量子視角研究原子核量子態會帶來更大的驚喜，特別是化學、生命科學、能源環境科學等。”王恩哥說。

獲獎從來不是終點，而是新的起點。面對極端受限水、輕元素量子材料、全量子調控新物態等前沿課題，這支團隊再次踏上新征程。

本文來源｜《中國教育報》2026年7月11日01版，原標題《北京大學王恩哥院士團隊 25 年，看 “ 清 ” 一滴水》

本文作者｜中國教育報記者 焦以璇

圖片來源 | 北京大學微信公眾號

責任編輯｜杜潤楠

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