日前

2025年度国家科学技术奖公布

北京大学为唯一完成单位

北大物理学院教授

王恩哥、江颖、李新征、徐莉梅

化学与分子工程学院教授高毅勤

组成的研究团队凭借

“水的氢键强度及动力学过程全量子效应研究”成果

获得国家自然科学奖一等奖

该奖是中国基础科学研究的最高荣誉

奖励前人尚未发现或者

尚未阐明、具有重大科学价值

得到国内外自然科学界公认的科学发现

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了解2025年度国家科学技术奖获奖项目

团队合影

北大团队这项成果之所以引人瞩目，不仅因为获奖分量之重，更因为它触及了一个物理科学中的根本问题。

1926年，薛定谔方程问世，对微观世界量子实体的波粒二象性给出了统一描述。次年，物理学家玻恩和奥本海默基于原子核质量远大于电子的事实，提出著名的“玻恩-奥本海默近似（BO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，从而大大降低了计算和模拟难度。此后近百年，凝聚态物理领域大多把BO近似作为研究物理问题的出发点。

然而，对于水这样最常见、却也异常复杂的凝聚态体系，过去常用的理论近似是否足够？那些看似微小、长期被忽略的原子核量子效应，究竟在多大程度上影响着水的结构和物性？

围绕这一问题，研究团队用二十余年时间，在理论与实验两条路径上持续推进：建立了超越BO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；首次“看见”水分子的氢原子和识别单根氢键，定量揭示核量子效应对氢键的重要贡献，并进一步把研究从观测和解释，推进到调控。

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

从追问一个假设开始

一场有益的争论，往往比一次简单认同更能推动科学的进步。

2002年，美国物理学家皮特·费布尔曼（Peter Feibelman）提出一个科学畅想：让水在某一种金属表面自发分解，分解过程释放的氢便是氢能的来源。《科学》（Science）杂志极为罕见地刊登了这篇由唯一作者独立创作的理论物理文章。过往的工作经验让王恩哥觉得，这项工作一定很重要。于是他让一位博士生马上研究一下其它金属表面上水的情况，结果所有表面都给出了相反的结论。他们的论文很快在美国物理学会的《物理评论快报》上发表出来，并立即在国际物理界引起很大反响。美国物理学会在第二年的三月年会上设立了一个专场，邀请二人相继做了大会报告，公开探讨。然而，两人都无法说服对方。

王恩哥在办公室

在争论中，王恩哥愈发意识到，很多分歧表面上是对具体现象的不同解释，深层却可能指向一个更根本的前提：“玻恩-奥本海默近似”，这个被凝聚态物理学家用了近百年的理论，是不是应该进行一些突破？

2004年，他开始从头推导，随后请另一位博士生开发了新的理论模拟程序。他们考虑了原子量子属性的最初工作发表在2008年的《物理评论快报》上。此后“全量子效应”这个概念在他的脑中逐渐成形，2010年左右，关于如何推进这一研究的构想王恩哥脑海中逐渐清晰起来。他选择“水”作为突破口，因为它由氢元素构成，其中质量最小的氢原子占了三分之二，最有可能显现出显著核量子效应；同时，因为水是自然界和生命体系中最重要、又最不易被彻底理解的凝聚态物质之一。

2005年《科学》Science提出的125个世纪难题之一：“如何确定水的结构？”（左）

2013年《自然》Nature提出冰的十大问题之一：“冰的表面是什么样？”（右）

水看起来如此寻常。它覆盖地球表面七成以上的面积，构成人体重量的三分之二，是所有已知生命赖以存在的根基。我们每天喝水、用水，看它沸腾、结冰、蒸发——似乎再没有什么比水更熟悉、更理所当然。

然而，简单与深奥，往往构成美妙的辩证法。为什么冰能浮在水面上？为什么热水有时比冷水结冰更快？为什么水（H2O）和重水（D2O）的化学性质几乎完全相同，但熔点和沸点却有所差异？水，大千世界的基础，远比想象中复杂。

“如何确定水的结构？”这是《科学》杂志在21世纪初提出的125个世纪难题之一。如果原子核量子效应被系统低估，那么许多关于水、冰以及轻元素凝聚态体系的认识，也许都需要重新审视。

“看见”世界上最小原子

2014年，北大物理学院量子材料科学中心，高分辨扫描探针显微镜下，信号滋滋传来，水中的氧和氢正清晰向人们展露它的结构面容。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，王恩哥、江颖他们实现了人类在表面上直接“看见”最小原子的梦想。

这次“看见”，有赖于江颖从零起步，在实验室自主研制的一套扫描探针显微镜系统和原创的原子成像技术。

2010年初，江颖刚结束海外博士后工作。时任北大物理学院院长的王恩哥找到他，谈了整整一个下午。谈的不是一项现成的热门课题，而是一个当时仍显模糊、甚至带着几分冒险意味的方向：能不能在实验上真正探测到水中原子核的量子效应？

江颖听着有些将信将疑。毕竟，原子核的质量比电子大得多，就连最轻的氢原子核的质量也是电子的1800多倍，其波动性和量子隧穿的几率也小得多，原子核的量子效应是否真能在水中显著到足以被观测，并不是显而易见的事情。

但科学研究的魅力，恰恰在于对“未必可能”之事的追问。江颖决定试一试。在这次谈话后两个月，两人联合申请了一个国家自然科学基金重大研究计划重点项目，名字就叫“水在表面反应过程中的全量子化效应研究”。

上世纪80年代开始，国际顶尖实验室在原子级分辨率显微镜技术上持续突破。但对于单个氢原子、单根氢键这样小的结构进行成像，还是一个未被攻克的难题，人们始终缺少直接的原子尺度图像。要跨过这一步，实验技术必须同时满足两个几乎苛刻的条件：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。

围绕这个目标，江颖持续改进高分辨扫描探针显微镜系统，发展出原创的高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。那些看上去只差毫厘的分辨率和灵敏度，在真正的实验里，往往对应的是无数次调试、比对和推翻重来。对针尖状态的控制、对信号噪声的识别、对样品环境的把握，任何一个环节稍有偏差，结果都可能南辕北辙。

江颖在操作高分辨扫描探针显微镜

这次“看见”，并非终点，而是新问题的起点。

接下来的几年里，研究团队继续沿着“看得更清、测得更准”的方向推进，相关工作接连发表在《科学》和《自然》杂志。2016年，他们精确测定了核量子效应对氢键强度的贡献，发现其大于室温下的热效应。这个结果表明，原子核量子效应并非无足轻重的细微修正，而是足以实质性影响水的结构和物性的重要因素，从而澄清了学界长期关于氢键量子本质的争论。

实验上的突破也不断向更深处延展。2015年，团队直接观测到质子的协同量子隧穿现象；在接近绝对零度条件下，本应几乎“冻结”的氢原子核，仍能在水分子网络中集体发生量子跳动。2018年，团队又获得了离子水合物的原子级图像，进一步把对水体系的认识推进到更复杂的离子环境之中。

值得一提的是，这套完全具有自主知识产权的尖端科学仪器设备，其亮眼的表现——探测灵敏度比国际最好水平高1个数量级以上，获得许多国际知名研究组青睐，他们来中国交流时，纷纷提出“想来北大的实验室取经”，学习回去后，很多实验室采用此技术开展科学研究，已取得更多科学成果。

自行设计制作的qPlus型原子力传感器；光耦合qPlus型扫描探针显微镜国产化样机；单个水分子高阶静电力成像图

2022年，团队通过校企联合攻关，完成了光耦合qPlus型扫描探针显微镜国产化样机的研制，随后实现了该系统的整机国产化和市场推广，打破了我国高端扫描探针显微镜近年来长期依赖进口的被动局面。

更重要的是，他们并不满足于“看到”和“测到”，而是进一步走向“调控”。2022年，通过对体系的精细设计与操控，团队实现了对核量子效应的人工增强，创造出打破“冰规则”的二维冰结构，并在后续研究中观察到常压下绝缘态到金属态的转变。这意味着，全量子效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打开新空间。

通过调控核量子效应得到的二维冰新物态

理论与实验的完美互动

实验和理论在山脚分开，在顶峰相遇。这正是科学发现最富创造力的过程。

水的全量子效应研究，仅靠实验观测还不够，还必须建立全量子层面的理论方法，以及能够理解解释复杂现象、预测新物态的理论体系。实验回答的是“看见了什么”，理论回答的是“为什么如此”，正是在实验不断提出新问题、理论不断给出新解释的持续互动中，团队逐步建立起超越玻恩–奥本海默近似的全量子研究框架。

围绕这一目标，在王恩哥的统筹下，团队形成了相互支撑、彼此促进的理论体系。理论与实验紧密结合，共同构建贯通电子态、原子核态、实验观测和物理机制的完整研究体系，使实验与理论在持续互动中不断逼近水的量子本质。

李新征回国加入团队时，论文并不算多，但王恩哥招人不看重文章数，而是看重对问题的理解能力和方法上的潜力。李新征投入大量精力钻研费曼路径积分等理论工具。起初，那些读起来也让他觉艰深晦涩、摸不着头绪的推导，最终在长期思考中逐渐打开了通路。

他将玻恩—黄展开与费曼路径积分分子动力学结合，规避了波函数方法中希尔伯特空间的维度灾难，发展出第一性原理路径积分全量子模拟方法。通俗地说，这一方法考虑了原子核的所有可能路径，并基于此计算核量子效应究竟如何影响氢键、结构稳定性和动力学行为？

这一理论突破的重要意义，在于它不仅解释了实验中看到的现象，也让“全量子效应”从一个有启发性的判断，变成了可以计算、可以比较、可以推广的方法体系。核量子效应如何改变氢键强度、为何会导致轻水与重水呈现不同物性、多个质子的协同隧穿为什么可能发生——这些问题，都因此有了更坚实的理论支撑。

能够兼具领先的实验技术和具有创新特色计算理论，也是这个研究团队的显著特色。

最初，为了测定水分子结构，江颖尝试在金属表面加入绝缘层衬底，用设备探测水分子在绝缘层表面的电子轨道，从而得到水分子图像。同时，李新征利用第一性原理密度泛函理论，通过计算模拟，生成理论模拟图像。

然而，二者却怎么也对不上。后来，江颖通过反复实验，发现金属探针与水分子会产生强耦合，使得水分子轨道被钉扎在针尖费米能级附近。李新征由此受到启发：翻个面，会如何？也就是说，将探针与水分子形成的强耦合体系视为衬底，而用金属衬底作为“探针”。重新计算后，理论模拟图与实验照片完美契合，并从电子轨道层面解释了图像的成因，证实江颖团队获得的正是单分子水的亚分子级图像。

随后，江颖进一步发展了高分辨扫描探针显微镜技术，以原子间的高阶静电力为成像机制。这项实验技术不仅将空间分辨率推进到前所未有的水平，也使研究从电子结构观测迈向真实氢键网络的原子尺度探测。然而，新的科学挑战随之出现：实验图像究竟对应怎样的真实原子构型和氢键网络？围绕这一关键问题，徐莉梅发展了高分辨原子力显微镜图像模拟与结构解析方法，将第一性原理计算、探针相互作用模型和实验成像过程统一描述，建立了实验图像与水的氢键网络之间的定量映射关系，使实验不仅能够辨识结构，也能揭示其背后的物理机制。

这些理论与计算突破的重要意义，在于它不仅解释了实验中看到的现象，也让“全量子效应”从一个有启发性的判断，变成了可以计算、可以比较、可以推广的方法体系。核量子效应如何改变氢键强度、为何会导致轻水与重水呈现不同物性、多个质子的协同隧穿为什么可能发生——这些长期悬而未决的问题，都因此有了更坚实的理论支撑。

团队首次发现的质子“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

理论与实验也正是在这样的相互校验中彼此成就。在关于多个氢原子核隧穿是否同步发生的问题上，也正是理论计算给出了关键证据：只有当协同隧穿发生时，全量子能量势垒才足够降低，实验中观测到的现象才可能出现。

一次新图像的获得，可能立刻引出对理论模型的修正；一次模拟中的异常结果，也可能反过来提示实验需要重新检查边界条件。很多关键进展，都诞生于这种彼此追问、彼此修正的过程之中。

把简单的事做正确

王恩哥常说一句话：“要把简单的事情做正确。”

所谓“简单”，是指问题本身往往并不繁复：一根氢键究竟有多强？一个质子会不会发生隧穿？原子核量子效应到底能不能忽略？恰恰是这些最基础的问题，最容易在长期沿用的习惯和近似之中被视为理所当然。选择一条看起来更漫长的路，需要对科学本身有积累、理解、直觉和洞察。

这也是王恩哥组建团队时最看重的东西：不是简单地把几个方向拼在一起，而是让真正擅长不同环节的人，围绕同一个关键问题形成完整链条。

在这个思路下，他们形成了一支能够从理论推演到高精实验、从原子尺度到宏观物性形成完整链条的队伍。王恩哥负责提出方向、判断问题的重要性；江颖负责把原子尺度的实验做到极致，从扫描探针成像到单原子操控不断突破；李新征负责发展核量子效应的理论方法和模拟框架；徐莉梅原先做水的宏观物性研究，她在团队里负责实验图像的理论分析和模型构建，把实验图像与真实物理结构对应起来，搭起实验和理论之间的重要桥梁；高毅勤则从分子动力学模拟出发，把对局域结构的理解延伸到更长时间、更大尺度的动力学过程之中，把定格动画拓展成动态视频。

五个人各有所长，环环相扣。不同背景的研究者因此被组织到同一个问题意识之下。物理的、化学的，实验的、理论的，微观的、宏观的，彼此并不是平行摆放，而是在不断讨论中相互嵌合。

钠离子水合物原子图像

2017年，江颖刚开始观测到离子水合物“幻数效应”时，尚不明白机理。带有2个或4个水分子的钠离子水合物都非常稳定，而带有3个水分子的离子水合物却像患上了“多动症”。为什么会产生这种现象？高毅勤通过长时间动力学模拟，发现这与结构的稳定性有关：当2个或4个水分子与钠离子结合时，就好像给钠离子订上了一个或两个“订书针”，将钠离子固定在了衬底表面；而当有3个水分子时，形成的则是类似风扇叶片的结构，没有与表面接触的那个水分子总有向表面靠近的趋势，促使着界面结合与非界面结合水之间的快速转换，这才导致了整个团簇的快速扩散。

刚想通的那一下，高毅勤立刻就给江颖打电话。他觉得，这样的结构就像《星球大战》里乱跑的球形机器人，太有趣了。团队成员回忆，组会之外这样的讨论常常同样重要。楼道里碰到，便可能驻足聊下去；临时想到一个解释路径，电话和微信都可能立即响起。这样的交流并不只是热闹，而是一种高度信任基础上的科学协作：每个人都愿意把尚未完全成熟的想法说出来，再由别人帮助辨析、补足，甚至推翻。

团队在北大物理学院量子材料科学中心楼内讨论

也正因为如此，这支团队所形成的，不只是若干篇高水平论文，更是一种做研究的方式：从最基础的问题入手，以最严格的标准求证，在理论和实验之间来回打磨，最终把一个原本模糊的方向做成可持续推进的新领域。其中一个代表性的例子是，2004年王恩哥与学生在《物理评论快报》上理论预言了一种二维冰的存在，2020年江颖、李新征、徐莉梅、王恩哥在《自然》上报道了实验上制备出二维冰I相，2022年他们又在《科学》报道了通过全量子效应调控实现了打破“冰规则”的二维冰，并接着实现了常压下绝缘态到金属态转变，2024年他们在《自然》上再次发表文章成功把相关研究扩展到体相冰表面。这支团队用二十年的时间，从物理思想的突破，完成了理论和实验的验证，开辟了前沿科学新的研究方向。

在团队看来，一个真正重要的科学问题，值得用几年甚至十几年的时间去验证它、捍卫它。一个好的科学问题能把最合适的人聚到一起；一支真正紧密协作的队伍，则能在质疑面前站得住脚。

2014年团队首次获得水分子成像结果后，国际同行曾提出过“伪信号”等质疑。面对质疑，他们没有停留在争辩层面，而是继续沿着实验与理论两条主线不断推进：徐莉梅发展了新的成像理论解析方法，另一方面反复进行理论建模和交叉验证。

科学上的说服，从来不是一句话完成的，而是在一次次独立检验和相互印证中逐渐建立起来的。随着证据不断积累，团队关于水体系全量子效应的一系列原创成果获得国际同行广泛认可。围绕该项成果，研究团队多次受邀在国际学术会议及科研机构作主旨报告，还受到包括诺贝尔奖、科维理奖、费曼奖、朗缪尔奖、玻恩奖、罗尔勒奖章等国际奖项得主在内的多位学者的关注与引用，并获得高度肯定。

他们实现了对“玻恩-奥本海默”近似的超越，使得这个一直处于徘徊状态的领域有了明确方向。全量子效应，这个过去鲜有人问津的领域，近年来相关文章讨论热度及被引用率持续上升，这一概念，已成为凝聚态物理研究非常活跃的新领域之一。国际学术界评论称“核量子效应研究进入主流。”

今天，全量子效应研究的意义早已不止于“水”本身。全量子效应研究逐渐成为解决轻元素凝聚态体系物理问题的一种新范式。在更广泛的轻元素体系中，这一研究路径还有望为量子材料、能源转换、生命过程相关问题提供新的认识框架和应用场景。