作为一名曾经从事和频光谱领域的科研人员,我当然希望和频光谱可以获奖。(无论是物理奖还是化学奖)
冰面为什么如此之滑?最早的时候科学家们以为是因为在较高压强下,冰的熔点会降低,从而导致部分表面的冰融化成水,所以冰面才会这么滑的。但是之后经过定量计算发现降低的程度远远不足以融化冰,因此这个压强说是错误的。
现如今科学家们知道了真实原因,那就是在冰的表面,本来就有一层水膜。而论证这层水膜的存在,正是使用了和频光谱技术。
世界前沿125个科学问题中就有这么一个问题:如何在微观层面测量界面现象?
在我看来,和频光谱技术很有可能就是这个问题的答案。
和频光谱(sum frequency generation, 缩写SFG)是一种二阶非线性光学过程,最早由加州大学伯克利分校的华人教授沈元壤于1987年所发现。
沈元壤教授
在SFG过程中,物质与光发生两次相互作用,并释放出SFG信号。当两束脉冲激光同时照射到同一样品时,会产生频率等于两束入射光之和的光信号,这就是和频光谱信号。该SFG信号的频率等于两个入射光频率之和,所以叫做和频光谱(Sum Frequency Generation, SFG)。当两个入射光的频率相同时,就是一种特殊情况,叫做倍频(Second Harmonic Generation, SHG)——其中倍频因为原理更简单,仪器搭建更容易,广受生物成像领域的喜爱。
Esig=χijk(2)E1E2 ,其中E表示电磁场。而对于一个具有中心对称性的样品,当两束入射光电磁场符号改变时,信号电磁场符号也应该改变。
因此只有具有非对称中心的样品才会给出和频光谱信号。这样的具有非对称中心的样品包括表面/界面,以及具有非对称中心的生物样品和自组装结构等。当这两束光中有一束是红外光时,这个过程被称作和频振动光谱,可以给出处于非对称中心环境的化学键振动光谱。
比如对于冰表面的那层水膜,假如使用一般的红外光谱或者拉曼光谱进行测量的话,那么那层水膜的信号会完全被冰的信号所掩盖——毕竟这层水膜太薄了。但是在和频光谱中,由于冰是Ih点群的,具有中心对称性,因此体相冰的SFG信号为零。那么此时就可以观测到较强的界面信号了。
通过测量了-28℃时冰的SFG信号、-3℃时冰的SFG信号以及-3℃的过冷水信号,科学家们发现-3℃时的冰的SFG信号与-3℃的过冷水信号非常接近,因此在-3℃的冰表面有一层水膜。之后通过峰拟合进一步计算得到了-3℃时的冰表面有约4层水分子。
-3℃冰的SFG信号与-3℃过冷水的SFG非常相似,而与-28℃冰的SFG信号相差较远
而我则在和频光谱显微镜方面有一些成果。我和导师Wei Xiong搭建了世界上第一台瞬态和频振动光谱显微镜(Transient Vibrational Sum Frequency Generation Microscope)和世界上第一台全共线式外差法和频振动光谱显微镜(Fully Collinear Heterodyne Vibrational Sum Frequency Generation Microscope),文章分别发表于PNAS和ACS Photonics上。
目前和频光谱技术已经被广泛用于各种软物质和分子自组装领域的表征,实现了一个又一个的成果。
尽管我觉得目前来说和频光谱技术还不够成熟,获得诺贝尔奖的几率不是特别大,但是我相信它在未来必定会蓬勃发展。