2022年的一個深夜，高文旆接到了學生Jacob G. Smith的電話：“文旆，我這邊的實驗結果，可能提示了一種新的反應機制。”學生的興奮之情溢于言表。

當時，他還在美國北卡羅來納州立大學任材料科學與工程系助理教授，兼任先進儀器中心首席電鏡科學家。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)展了為材料化學反應過程“拍攝電影”的方法。

高文旆的學生和他一樣，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象。

面對學生所說的“新機制”，高文旆并沒有立即下結論。十余年與電子顯微鏡打交道的經驗，讓他很清楚：任何新發(fā)現，都需要更多實驗與理論分析的反復驗證。

2024年2月，這項研究發(fā)表于《科學進展》。通過使用先進的電子顯微學技術，高文旆與合作者采集到了納米顆粒生長的完整化學反應路徑，并且捕捉到了歧化反應和還原反應在原子尺度的發(fā)生方式。

從最初發(fā)現到反復重復和驗證，需要精力和時間積累。實驗結果最終發(fā)表時，高文旆已經回國一年半了。他加入上海交通大學材料科學與工程學院、張江高等研究院未來材料創(chuàng)制中心，跟學生們開始了新的探索。

高文旆（左一）在指導學生

1

拍一部原子級“短劇”

對材料學家而言，“看”是第一步。有經驗的人，往往可以通過材料細微的顏色、紋理等的變化，發(fā)現新奇的現象。但若想進一步探明這些變化出現的原因，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部的構造，這是材料研究中目前最重要的技術之一。”高文旆說道。

從在北京大學物理學院讀本科開始，高文旆就和電子顯微鏡結下了深厚的情誼。

“2024年發(fā)表的這項工作，就是發(fā)現了一個全新的現象。”高文旆回憶道。

他和團隊從鉑（Pt）的前驅體氯亞鉑酸鉀（K₂PtCl₄）入手，試圖在分子尺度上探測化學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相機等設備，把以往只能通過計算和理論推導的化學反應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。隨著反應進行，Pt和Cl之間的化學鍵開始變弱，一些Pt離子乘機“搶占”周圍的2個Cl原子，把自己包裹得嚴嚴實實，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。

Pt 納米顆粒生長過程完整化學反應路徑圖示 圖源：Science Advances

如果從宏觀尺度描述，就是溶液中Pt離子經過反應變?yōu)?/span>Pt顆粒的過程。“這就是中學課本里提到的歧化反應，但以前從未有人在分子尺度，把這個反應拍得這么清楚。”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識。因為過去普遍認為，反應過程中只存在2價到0價的單向變化過程。”

在此基礎上，高文旆的團隊發(fā)展了“化學反應原子影像學”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。

2

“在電子束下”設計催化劑

2022年7月，高文旆離開學習、工作了12年的美國，加入上海交通大學，開展針對功能材料界面表征和構筑方法的研究。這個聽起來非?；A的方向，其實與日常生活息息相關，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的方法將其壓縮，這對設備成本及安全性要求極高。

作為氫能源的重要形式之一，質子交換膜燃料電池（PEMFC）近年來備受關注。PEMFC是一類高效、環(huán)保的清潔能源轉換設備，通過電化學反應直接把氫轉化為電能，用于新能源汽車等領域。

當前，陰極氧還原反應（ORR）速率緩慢限制著PEMFC的實際應用，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)應用發(fā)展提供了新的實用化路徑。

電鏡下觀察到的Pt-Fe納米線表面結構 圖源：Science Advances

在另一項工作中，高文旆又與合作者探究了Pd@Pt-Co催化劑低溫熱處理過程中的原子擴散行為，進而實現了晶面可控的金屬間化合物的設計和制備，為后續(xù)復雜體系中晶面可控有序化轉變的實現提供了策略。

在高文旆看來，每一個研究聚焦的內容都很小，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，我想很多材料科學的發(fā)現都會滯后很多年。”高文旆再次強調，“不可否認，我們的工作目前離實際應用還很遠。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，對科學探索的機制追求推動了先進科學儀器的開發(fā)；另一方面，也正是使用先進科學儀器獲得的科研成果推動了科學的發(fā)展。”

3

以“微生物”撬動“大產業(yè)”

“只有知其所以然，講清楚其中的科學機理問題，才能更好地改造和利用微生物。”上海交通大學生命科學技術學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“先進顯微分析技術研討會暨分析π全國巡回技術沙龍”來到了上海交通大學。

“先進顯微分析技術研討會暨分析π全國巡回技術沙龍”與會人員合影

活動現場，記者見到了鄭艦艇。“我從博士期間開始研究鏈霉菌，到現在也快20年了。”鄭艦艇介紹，鏈霉菌是一類非常有用的微生物，能夠生產抗生素、抗腫瘤藥物等多種具有重要價值的生物活性物質。由于其在土壤改良、植物促生抗逆、生態(tài)系統(tǒng)構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構生物學的角度，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化合物的產量，并助力工業(yè)生產。

多年一線工作，使得鄭艦艇對前沿技術的發(fā)展有著敏銳的感知度。當電鏡發(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分析測試平臺最早的冷凍電鏡用戶。

鄭艦艇（左一）在指導學生

“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和體外生化實驗，揭示了鏈霉菌抗生素調節(jié)蛋白家族AfsR激活抗生素生物合成基因轉錄的機制。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控因子。我們解析了它和啟動子、RNA聚合酶復合物的結構，就能知道它們之間是如何互作的。而有了結構的指導，我們就可以進一步改造AfsR，最終提高抗生素生物合成的產量。”

“冷凍電鏡技術在微生物中的應用仍處于起步階段。”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，希望能夠在基礎研究和應用研究之間搭建橋梁，以“微生物”撬動“大產業(yè)”。

4

雙向奔赴

上海交通大學分析測試中心成立于1983年，目前下設五個儀器平臺、三個技術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臺開放共享設備。

“分析測試中心將上海交通大學高水平科學家、優(yōu)秀實驗技術人員、高精尖儀器三大優(yōu)勢充分整合，為科研項目提供更優(yōu)質的‘全過程’解決方案、更高效的‘一站式’科研服務。”上海交通大學分析測試中心主任陳峰介紹，目前，中心的服務范圍已覆蓋全國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。”

高文旆具體總結了三個方面。首先，豐富的儀器設備和成熟的運營經驗，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受過嚴格的科研訓練，且長期關注新技術，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設備商，推動儀器設備的升級。

回顧歷史，高端科研儀器的發(fā)展，是科學史發(fā)展中不可磨滅的印記。儀器設備的更新換代往往源于科學家的實驗需求，而電子顯微鏡、太空望遠鏡、粒子對撞機等實驗設施和裝置的出現，又從根本上改變了科研范式，加速基礎研究發(fā)展。

Iliad球差校正（掃描）透射電子顯微鏡

“我想，我們在使用儀器時發(fā)現的問題、冒出的新想法，也終將會推動新技術的誕生。”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的不斷升級換代了。當然，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。”