2022年的一個(gè)深夜，高文旆接到了學(xué)生Jacob G. Smith的電話：“文旆，我這邊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可能提示了一種新的反應(yīng)機(jī)制。”學(xué)生的興奮之情溢于言表。

當(dāng)時(shí)，他還在美國(guó)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(jìn)儀器中心首席電鏡科學(xué)家。憑借一臺(tái)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(shí)驗(yàn)。漫漫長(zhǎng)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(duì)學(xué)生所說的“新機(jī)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(yàn)，讓他很清楚：任何新發(fā)現(xiàn)，都需要更多實(shí)驗(yàn)與理論分析的反復(fù)驗(yàn)證。

2024年2月，這項(xiàng)研究發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。通過使用先進(jìn)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(zhǎng)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(yàn)證，需要精力和時(shí)間積累。實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終發(fā)表時(shí)，高文旆已經(jīng)回國(guó)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。

高文旆（左一）在指導(dǎo)學(xué)生

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拍一部原子級(jí)“短劇”

對(duì)材料學(xué)家而言，“看”是第一步。有經(jīng)驗(yàn)的人，往往可以通過材料細(xì)微的顏色、紋理等的變化，發(fā)現(xiàn)新奇的現(xiàn)象。但若想進(jìn)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(chǎng)發(fā)射球差校正透射電子顯微鏡，分辨率能夠達(dá)到50皮米，大約是一個(gè)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。

“2024年發(fā)表的這項(xiàng)工作，就是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全新的現(xiàn)象。”高文旆回憶道。

他和團(tuán)隊(duì)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(cè)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(jī)等設(shè)備，把以往只能通過計(jì)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(gè)2價(jià)Pt離子周圍規(guī)規(guī)矩矩圍著4個(gè)Cl離子。隨著反應(yīng)進(jìn)行，Pt和Cl之間的化學(xué)鍵開始變?nèi)?，一?/span>Pt離子乘機(jī)“搶占”周圍的2個(gè)Cl原子，把自己包裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，變成4價(jià)離子，被搶走小伙伴的Pt就變成了0價(jià)的“光桿司令”。隨后，這些4價(jià)的Pt離子又被還原成2價(jià)，重復(fù)上述過程，直到2價(jià)Pt離子之間距離足夠遠(yuǎn)，無法再碰到一起。

Pt 納米顆粒生長(zhǎng)過程完整化學(xué)反應(yīng)路徑圖示 圖源：Science Advances

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)?/span>Pt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(gè)反應(yīng)拍得這么清楚。”高文旆表示，“這項(xiàng)工作也讓人們對(duì)Pt顆粒生長(zhǎng)過程有了新認(rèn)識(shí)。因?yàn)檫^去普遍認(rèn)為，反應(yīng)過程中只存在2價(jià)到0價(jià)的單向變化過程。”

在此基礎(chǔ)上，高文旆的團(tuán)隊(duì)發(fā)展了“化學(xué)反應(yīng)原子影像學(xué)”這一方法。順著這個(gè)思路，他很自然地想到，可以在其他類似的方向試試。

2

“在電子束下”設(shè)計(jì)催化劑

2022年7月，高文旆離開學(xué)習(xí)、工作了12年的美國(guó)，加入上海交通大學(xué)，開展針對(duì)功能材料界面表征和構(gòu)筑方法的研究。這個(gè)聽起來非?；A(chǔ)的方向，其實(shí)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(diǎn)是密度高、穩(wěn)定且綠色環(huán)保，但缺點(diǎn)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(chǔ)存和運(yùn)輸，通常需要先利用物理或化學(xué)的方法將其壓縮，這對(duì)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(shí)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(shí)保持形狀的最佳退火條件。

進(jìn)一步地，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)摸索出一套新策略，通過限制Pt-Fe納米線表面層的原子擴(kuò)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(shí)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(shí)用化路徑。

電鏡下觀察到的Pt-Fe納米線表面結(jié)構(gòu) 圖源：Science Advances

在另一項(xiàng)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(kuò)散行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了晶面可控的金屬間化合物的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)提供了策略。

在高文旆看來，每一個(gè)研究聚焦的內(nèi)容都很小，只能在某幾個(gè)小點(diǎn)上取得“冒尖式”的突破。但隨著一個(gè)個(gè)針尖從不同地方扎出來，最終會(huì)變成一個(gè)平面，推動(dòng)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(huì)滯后很多年。”高文旆再次強(qiáng)調(diào)，“不可否認(rèn)，我們的工作目前離實(shí)際應(yīng)用還很遠(yuǎn)。但包括新能源、信息材料等方面的研究，最終都要落實(shí)在理解原子間的相互作用上。一方面，對(duì)科學(xué)探索的機(jī)制追求推動(dòng)了先進(jìn)科學(xué)儀器的開發(fā)；另一方面，也正是使用先進(jìn)科學(xué)儀器獲得的科研成果推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。”

3

以“微生物”撬動(dòng)“大產(chǎn)業(yè)”

“只有知其所以然，講清楚其中的科學(xué)機(jī)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(zhǎng)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(jìn)顯微分析技術(shù)研討會(huì)暨分析π全國(guó)巡回技術(shù)沙龍”來到了上海交通大學(xué)。

“先進(jìn)顯微分析技術(shù)研討會(huì)暨分析π全國(guó)巡回技術(shù)沙龍”與會(huì)人員合影

活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)，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(jià)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(hào)乘組去了趟空間站。

然而，過去很多時(shí)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(tuán)隊(duì)正是希望從結(jié)構(gòu)生物學(xué)的角度，探明鏈霉菌這個(gè)“工廠”的具體運(yùn)行機(jī)制，從而進(jìn)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(duì)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(cè)試平臺(tái)最早的冷凍電鏡用戶。

鄭艦艇（左一）在指導(dǎo)學(xué)生

“冷凍電鏡是從分子機(jī)制探明機(jī)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(jī)理，進(jìn)而針對(duì)性地改造微生物。”鄭艦艇說道。

近年來，團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)代表性工作，就是通過冷凍電鏡技術(shù)和體外生化實(shí)驗(yàn)，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(jī)制。鄭艦艇表示：“AfsR廣泛存在于多種鏈霉菌中，是一個(gè)常見的抗生素正調(diào)控因子。我們解析了它和啟動(dòng)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(jìn)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(jī)會(huì)。”

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(dòng)“大產(chǎn)業(yè)”。

4

雙向奔赴

上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心成立于1983年，目前下設(shè)五個(gè)儀器平臺(tái)、三個(gè)技術(shù)中心以及實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心、張江分平臺(tái)和病原微生物實(shí)驗(yàn)室（BSL-2），有268臺(tái)開放共享設(shè)備。

“分析測(cè)試中心將上海交通大學(xué)高水平科學(xué)家、優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員、高精尖儀器三大優(yōu)勢(shì)充分整合，為科研項(xiàng)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(cè)試中心主任陳峰介紹，目前，中心的服務(wù)范圍已覆蓋全國(guó)32個(gè)省級(jí)行政區(qū)，校外用戶超1.1萬個(gè)。

高文旆對(duì)于學(xué)校的支持非常感激：“分析測(cè)試中心對(duì)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(gè)方面。首先，豐富的儀器設(shè)備和成熟的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，免去了新PI空有想法卻無法驗(yàn)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(zhǎng)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(duì)一些新需求，中心也能及時(shí)反饋給相關(guān)設(shè)備商，推動(dòng)儀器設(shè)備的升級(jí)。

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(shí)驗(yàn)需求，而電子顯微鏡、太空望遠(yuǎn)鏡、粒子對(duì)撞機(jī)等實(shí)驗(yàn)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。

Iliad球差校正（掃描）透射電子顯微鏡

“我想，我們?cè)谑褂脙x器時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題、冒出的新想法，也終將會(huì)推動(dòng)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(cuò)過，也算是見證過電鏡技術(shù)的不斷升級(jí)換代了。當(dāng)然，我也希望未來有機(jī)會(huì)可以嘗試最新的Iliad球差校正（掃描）透射電子顯微鏡。”