“水的结构是什么”辽宁橱柜台面胶，这是《科学》杂志在创刊125周年特刊中提出的125个世纪难题之。

水，处不在，看似寻常，却是科学眼中秘的物质之，还有许多未解之谜。

7月8日，2025年度国科学技术揭晓，北京大学恩哥院士团队凭借“水的氢键强度及动力学过程全量子应研究”成果，获得国自然科学等。该成果揭示了水这复杂系统的全量子特，攻克了水与冰结构的世界公认难题。鲜为人知的是，这份沉甸甸的荣誉背后，是团队历时25年甘坐“冷板凳”的坚守。

团队影

追问水背后的量子规律

这项成果之所以引人注目，是因为它触及了个物理科学中的根本问题。

1927年，玻恩和奥本海默基于薛定谔程提出电子态热近似，在该范式下，通常把原子核当作经典粒子来处理，只对电子进行量子化，从而大大降低了计和模拟难度。此后百年成为解决凝聚态物理问题的出发点。

“核量子应真的可以忽略不计吗？”这疑问萦绕在恩哥心头。2002年，恩哥和美国物理学费贝尔曼有场关于水在金属表面能否自发分解的科学争论。争论中，恩哥发意识到，“玻恩—奥本海默近似”应该进行些突破。

恩哥在办公室

“全量子应”在恩哥的脑海中逐渐清晰。他选择“水”作为突破口，因为它由轻元素构成，其中质量小的氢原子占了三分之二，有可能显现出显著核量子应。

围绕这问题，恩哥带着学生头扎进了水的量子世界，用25年时间，在理论与实验两条路径上持续进：建立了越“玻恩—奥本海默近似”的物理研究框架，实现对电子与原子核自由度全量子描述；次“看见”水分子的氢原子和识别单根氢键，定量揭示核量子应对氢键的重要贡献，并进步把研究从观测和解释进到调控。

他们做的，正是把科学界长期被简化掉的那部分“找回来”：把原子核量子应系统纳入研究之中，从氢原子波粒二象的角度，重新理解水、冰等轻元素物质背后的层规律。

团队次发现的质子“协同隧穿”新机制与二百多年来用于描述质子分步传输的“Grotthuss”机制。

造仪器看见“小”原子

时间回溯到2014年，北大物理学院量子材料科学中心。分辨扫描探针显微镜下，信号滋滋传来，水分子内部单个氢原子及水团簇中单根氢键的图像生成了！那刻，团队实现了人类在表面上直接“看见”小原子的梦想。

团队核心成员、北京大学物理学院教授江颖至今记得辽宁橱柜台面胶，2010年初，时任北大物理学院院长的恩哥找他谈了整整个下午。他们的话题是个当时充满不确定的向：能否在实验上真正探测到水中原子核的量子应？江颖听着有些将信将疑，但他还是决定试试。

江颖在操作分辨扫描探针显微镜。

彼时，对于单个氢原子、单根氢键这样小的结构进行成像，还是个未被攻克的难题。要跨过这步，pvc管道管件胶实验技术须同时满足两个苛刻条件：既要对氢足够敏感，又不能在探测过程中对脆弱结构造成明显扰动。

这些年，团队持续改进分辨扫描探针显微镜系统，发展出原创的阶静电力扫描探针技术，突破了“氢敏感”和“非侵扰”两大实验技术难题。这套具有自主知识产权的科学仪器设备，探测灵敏度比好水平1个数量以上，破了端扫描探针显微镜近40年来长期依赖的被动局面，如今已实现国产商业化生产和市场广。

把简单的事情做到致

团队并不满足于“看到”，而是进步走向“调控”。2022年，团队实现了对核量子应的人工增强，创造出破“冰规则”的二维冰结构，并在后续研究中观察到常压下缘态到金属态的转变。这意味着，全量子应研究正从基础认知走向主动设计，为理解和调控物质形态开新空间。

通过调控核量子应得到的二维冰新物态。

随着证据不断积累，团队关于水体系全量子应的系列原创成果获得同行广泛认可。全量子应近年来已成为凝聚态物理研究非常活跃的新域之，学术界评论称“核量子应研究进入主流”。

“25年前，很多人会觉得水有什么好研究的，太简单了。”恩哥笑着回忆。但他坚信，把简单的事情做对，就是不简单。个真正重要的科学问题，值得用几年甚至几十年的时间去验证它、捍卫它。

江颖表示，老师到的学术视野与科学品位，始终为团队航定向。“他时常告诫团队成员，做科研切忌盲目跟风、追逐热点，要敢于直面真正重大的科学难题，培养甘坐冷板凳的定力与毅力，从而实现从0到1的原创突破。”在他的引下，团队也养成了追求致的科研作风。

如今，全量子应研究的意义早已不止于“水”本身。“过去百年，物理学通过研究电子的量子态，改变了我们的生活；未来百年，我相信从全量子视角研究原子核量子态会带来大的惊喜，特别是化学、生命科学、能源环境科学等。”恩哥说。

获从来不是终点，而是新的起点。面对端受限水、轻元素量子材料、全量子调控新物态等前沿课题，这支团队再次踏上新征程。

本文来源｜《教育报》2026年7月11日01版，原标题《北京大学恩哥院士团队 25年，看“清”滴水》

本文作者｜教育报记者 焦以璇

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