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徐丽梅：揭开水隐藏的物理原理
从水的独特性质到相变物理，徐丽梅解释了如何研究水来揭示自然的基本规律。徐丽梅：揭开水隐藏的物理性质的文章首先出现在《先进科学新闻》上。
来源:Advanced Science News从水的独特性质到相变物理学，徐丽梅解释了研究水如何揭示自然的基本规律。
乍一看，水可能看起来很简单——只有两个氢原子与一个氧原子结合。然而，其复杂的行为仍然让全球科学家感到困惑。了解这种看似简单的分子可能是解释许多其他材料和物理现象的行为的关键。
徐丽梅，北京大学物理学院博雅特聘教授，在波士顿大学攻读博士学位期间开始研究水及其从固体到液体到气体的相变。在犹他大学和日本东北大学担任博士后后，徐于 2011 年在北京大学国际量子材料中心 (ICQM) 成立后不久加入该中心。从那时起，她的研究小组已成为研究原子水平水行为的世界领先者。
为了表彰她的影响力贡献和对创新的奉献精神，徐被任命为 2026 年 Wiley 女性科学奖的获奖者之一。通过 ICQM 内部的合作，徐将她的经典物理学背景与量子物理学相结合，使她的团队能够更深入地了解水的不寻常特性及其背后的基础物理学。
是什么促使您从事物理学事业？
从小，物理学就帮助我了解宇宙。世界可能看起来一团糟，但研究自然现象让我思考一切存在背后的规律。我相信一旦你学会了物理，你就可以将它应用到各个领域，比如生物学、工程学、材料科学、计算机科学、经济学……在高中时，我有一位物理老师，他教我们在解决问题之前充分掌握概念。这让我有信心在高中毕业后继续学习物理并进入大学。
你为什么研究水及其相变？
您可能知道，水在 4°C 时达到最大密度时会表现出异常现象，但还有许多其他类似的异常现象。理解水的相图真是一件头疼的事；仅冰就有 20 多种不同的已知相。在吉恩·斯坦利教授指导下攻读博士学位期间，我想看看我们是否可以建立一个简单的模型来理解这些异常现象。当时我是从宏观的角度来研究它们的。自从加入 ICQM 以来，我们已经能够在原子水平上研究它们，以了解为什么水表现出如此多的异常现象。
我们开发了一种基于原子力显微镜 (AFM) 的技术，可检测探针尖端与水分子之间的相互作用。当您正在研究的结构非常小时，从这些信号中预测它相对容易。然而，当面积很大且结构完全无序时（如水的情况），就不可能恢复完整的原子结构。
我们团队构建了人工智能辅助的AFM分析方法，可以准确预测非晶材料的完整二维结构。我们还可以将这种方法应用于扫描隧道显微镜（STM）来恢复三维结构。例如，这使我们能够在原子水平上观察冰成核过程，并在水的真实空间结构与其宏观特性之间建立联系。我们的这项工作最近获得了国家自然科学奖一等奖。
这项研究可以有哪些应用？
该领域目前面临的最大挑战是什么？
照片由徐丽梅提供。
通过研究冰成核，我们找到了一种生长二维量子材料的新方法。为了实现特定的性能，您必须生长具有特定结构的材料，但是生长没有缺陷的材料仍然是一个巨大的挑战。了解其背后的机制可以指导成长；一些小组正在使用我们的理论方法和预测来生长这些量子材料。
我们还可以从理论和实验的角度预测水的特性，例如超润滑性。这可以帮助我们设计具有这些特性的材料。
我认为最大的挑战之一是解决二维无序结构。对于晶体等有序结构，我们已经有了一个很好的理论来描述它们。但对于玻璃等无序材料，其结构远未达到平衡状态。这些材料还会随着时间的推移而出现老化，并呈现非线性演变。对于这些非平衡无序材料，我们仍然没有一个理论来描述它们的行为。我们正在尝试开发一种方法或理论来理解它们的相变。
非平衡相变仍然是一种无人区。你所做的任何事情都会对这个领域做出贡献。这很困难，因为目前还没有既定的理论，而且虽然进展缓慢，但我们正在这一领域取得稳步进展。
您未来的研究目标是什么？
我们正在研究一个简单但非常重要的概念，称为超临界现象。例如，当水处于气态时，持续增加温度和压力，它会达到液体和气体之间的差异消失的点，我们称之为超临界点。我们问，如果处于更高的压力和更高的温度会发生什么？我们在这个区域发现了极其重要的特性，并发现这不仅是水的普遍现象，也是所有材料的普遍现象。
例如，超临界点是一种类似于超导的二级相变。我认为我们可以找到一种方法将所有这些观察结果统一为此类相变的更简单的模式。这是一个长期目标；我希望在我退休时能够对此有一个很好的理解。
2026年威利女性科学奖于3月在中国科学院物理研究所举行，汇聚了顶尖科学家和学者，表彰九位杰出女性研究人员的杰出贡献，表彰她们的影响力贡献和对创新的奉献精神。 Wiley 女性科学奖的设立由《高级物理研究》杂志支持，旨在激励下一代研究人员并支持更具包容性和多元化的研究社区。