松山湖畔风乍起 科技之光耀中华——记松山湖材料实验室首席科学家、中国科学院物理研究所杰出研究员赵金奎

范佳乐

在粤港澳大湾区综合性国家科学中心先行启动区内，坐落着著名的松山湖生态景区。这里，葱郁的荔枝林绵延起伏于峰峦叠嶂之间，清幽的小路蜿蜒消融在湖天一色尽头。远处孤鹭携朝霞共飞，近岸紫荆和黄花风铃争艳。环湖高新科技研发和产业云集，塑造出一幅“科技共山水一色，新城与产业齐飞”的妙趣景象。

环抱着松山湖的是一条弯曲悠长的滨湖路。路边零星盘踞着蟠龙般的榕树，偶尔又有纤细挺拔的翠竹簇拥在一起。在这条路上，经常能看到一个骑行者的身影，他是松山湖材料实验室首席科学家，中国科学院物理研究所杰出研究员赵金奎。每天骑行二三十公里，是他多年来养成并坚持的习惯。“这里空气清新，景色宜人，骑行可以让头脑清醒、使精力充沛”。“其实科学家的要求往往很简单，有一份你喜欢的工作、一个良好的创新环境、一个可以静下来思考问题的角落和一两项自己的爱好就可以了。”寥寥数语，勾勒出赵金奎的性格特点，而他口中所说的工作，正是自己从事了30余年的中子散射和中子科学研究。

以大见小，见微知著——走进中子科学的神奇世界

赵金奎在松山湖骑行

坐落在松山湖畔的松山湖材料实验室始建于2018年。实验室立足于建设成为有国际影响力的新材料研发南方基地、国家物质科学研究的重要组成部分、粤港澳交叉开放的新窗口。为此，实验室布局了公共技术平台和大科学装置、前沿科学研究、创新样板工厂、粤港澳交叉科学中心四大核心板块。实验室平台的一个重要组成部分是中子散射，它也是材料研究的一个不可或缺的手段。松山湖材料实验室毗邻并依托堪称明星“科技之光”的中国散裂中子源。中国散裂中子源在2018年完成验收并正式投入运行。它的建成填补了国内脉冲中子源领域的空白，使我国成为全世界第四个拥有脉冲式散裂中子源的国家。和松山湖材料实验室一起，它正成为松山湖科学城的基石，吸引着一大批科研人员慕名而来。

赵金奎正是在2018年加盟松山湖材料实验室的。在此之前，他是美国橡树岭国家实验室负责散裂中子源小角散射项目研发的首席科学家，早前曾经担任过德国GKSS研究中心研究员，代理负责大分子结构组的各项研究项目，在中子研究领域积累了深厚的功底。他曾经领导建造了世界散裂中子源上的首台高通量、高性能的宽动量域小角中子散射谱仪，并首创多项尖端中子技术，在诸多中子科技领域是国际公认的专家。从1988年出国深造，到2018年全职回国，赵金奎在国外生活和工作了整整30年。在这30年间，不管是在生活还是工作和科学思想等方面，他都一直在吸取和学习不同文化的先进之处。但内心深处，总有一份最质朴的反哺情怀，牵着他回到故土。

在国外工作期间，赵金奎一直与国内保持着工作联系。每次回国，他都会回到中国科学院物理所，学习和了解国内科学发展的新动向，也把他在国外学到的中子科学领域的新知识、新见闻介绍给以前的恩师和同事。在没有网络的时代，这些交流对他来说受益匪浅。也正是这些长期的工作联系，让他和中国散裂中子源结下了渊源。他曾先后在中国散裂中子源项目论证和立项初期，多次回国和物理所同事讨论，为中国散裂中子源的设计参数选择等方面提供了很多重要的咨询和建议，促进了中国散裂中子源项目的建设。

“国内最近几年来在科技方面的投入力度越来越大，对具有国际工作经验和知识的海外科研人员的需求也越来越多。科学需要交流、合作才会有更深入和长远的发展。随着中国中子科学的发展，众多科学领域尤其是材料科学对中子散射的需求也日益增大。我们越来越需要中子科学相关方面的专业知识和国际经验。我恰好在中子散射和中子技术方面工作了多年，积累了一点经验。我希望这些经验可以让国内少走一点我自己走过的弯路，更快地赶超世界先进水平。无论是出于自己的研究工作发展还是目前中国的发展需要，回国都是不错的选择。”无论何时，身处何地，赵金奎都保持着一名科学家特有的实在、质朴和真诚。

什么是中子和中子散射？它的研究对国家和普通老百姓来说有什么意义？对很多非专业人士来说，相关问题或许会萦绕脑海亟需解答，但对投入中子相关研究30多年的赵金奎来说，这些问题正是自己毕生求索的意义所在。

自1932年中子被发现以来，能产生高通量中子的中子源一直是科学家不断努力追求的目标。但中子究竟有何作用？从接下来的故事里，就可见一斑：1998年6月，德国一辆城际快车意外出轨，伤亡惨重。最终调查发现，事故的元凶竟然是老化的车轮。但车轮内部我们看不见，也摸不着，何以判断？这就需要具有强穿透力的中子。中子大科学装置也被科技界称为“探究微观世界的‘火眼金睛’、科研利器和超级显微镜”。

众所周知，在医学领域，X射线能拍摄到人体内部的医学影像，从而帮助判断病情发展。而在材料学、化学、生命科学等领域，科学家们也需要这样的工具，它能像X射线一样探究到材料内部的微观结构。中子不带电、穿透性强、具有非破坏性，并能分辨轻元素、同位素和近邻元素。这些特性使得中子散射成为研究物质微观结构和动力学性质的理想探针之一。

“对材料科学来说，中子散射不是目的，而是我们探索微观世界的一种研究手段和工具。随着科技的进步，我们在凝聚态物理、化学、材料科学、生命科学、工业应用等很多领域都对中子技术有相当大的需求。比如在材料领域，无论是高温超导材料、新型功能和智能材料，还是高温合金材料、软物质材料，无论是有序的晶体材料、薄膜材料，还是无序的非晶和纳米团簇材料，中子散射都是一种能为我们揭示其内部‘是什么样的，又是如何工作的’这两个终极问题的有力手段。在我们解决科学和技术问题中，中子可以为我们提供一些其他方法无法提供的关键信息。”对自己的研究工作，赵金奎如是诠释。

在实验室

“科学有时会因其所需要和使用的科学装置的大小，被分为大科学和小科学。但科学问题却不论大小，都同样重要。中子散射是利用大科学装置来解决‘小科学’问题。”正是在中子的神奇魅力吸引之下，赵金奎一步步跨入中子科学的探索大门，遨游于科研的海洋，以大见小，见微知著，成就了一段厚实的中子探索人生。

源于积累，成于创新——成就厚实中子探索人生

时光倒回到20世纪80年代。1981年，赵金奎考取南开大学物理系，并于1985年考取中国科学院物理所攻读硕士学位。从那时起，他在我国中子科学研究领域的主要奠基人——章综院士的带领之下，开始介入中子散射和中子科学工作，至今已有30多年。

改革开放初期，章院士领导中国科学院物理所从当时世界最先进的中子散射基地法国引进了3台中子散射谱仪，布置在位于北京房山的原子能科学研究院。那里有中国最早的高通量中子源——为国防建设、核科学技术和国民经济的发展作出了重要贡献的第一座中国研究核反应堆。赵金奎记得很清楚，当时去房山还不像现在这样便捷，去一趟原子能院得坐长途汽车，再加上中途转车，至少需要大半天。研究生期间，赵金奎和同学们很大一部分的工作就是围绕这些中子散射谱仪开展一系列研究工作，从最初的非弹性散射研究到后期的高温超导材料研究。往来奔波虽然辛苦，但也为赵金奎日后从事中子相关研究打下了坚实的基础。

1988年，赵金奎研究生毕业，“可能是年轻时比较‘愣’，无知者无畏。当时读到一份会议报道文章，介绍德国GKSS研究中心（现名亥姆霍兹中心HZG）国际知名的Stuhrmann教授利用中子散射开展生物方面的研究，瞬间觉得这项研究挺有价值，还很好玩，抱着试试看的心态，我就给Stuhrmann教授写了一封自荐信，表达了想去攻读博士学位的愿望，没想到被接受了”。机遇总是喜欢垂青勇于尝试的人，自此，赵金奎踏上了出国的征程，推开了新世界的大门。

赵金奎在德国一待就是8年，在这8年时间里，他完成了从深造到能够独当一面的沉淀。其间，他接触到了不少尖端和新奇的研究，其中最主要的还是利用中子散射研究核糖核酸的结构。“核糖核酸是人体中的‘蛋白工厂’，分子量庞大，结构复杂，当时条件下，晶体结构解析难度极大。”赵金奎所在的团队利用样品动态核极化和中子散射，观察到核糖体内一些蛋白质的位置和结构。多年后，相关成果得到了高分辨核糖体晶体结构研究的证实。而核糖体的晶体结构研究也于2009年获诺贝尔化学奖。值得一提的是，在那次诺贝尔获奖的3位科学家中，其中两位都曾与赵金奎在GKSS的团队开展过研究合作。

因在管理方面展现的卓越潜力，赵金奎在完成博士工作但还没答辩之前，就被任命为GKSS研究中心大分子结构组的代理组长，负责小角散射仪和核极化样品设备的运行和组里的日常运作，领导和管理约10人的团队和年预算约100万马克的项目。多年沉淀，他积累了丰富的团队建设和领导方面的经验。

攀登科研高峰永无止境，为进一步拓宽自己的视野，1996年，赵金奎离开德国前往美国洛斯阿拉莫斯国家实验室从事博士后研究工作。两年后，恰逢美国散裂中子源开始筹建和正式立项，基于多年积累的丰富而扎实的中子散射研究经历，赵金奎作为第四位中子散射科学家加入该项目，并全程参与了项目的建设，由此开启了他人生中另一段重要的征程。

从1998年加入美国橡树岭国家实验室到2018年离开，在此期间，赵金奎主要负责散裂中子源小角散射项目及尖端中子技术的研发。十年磨一剑，砺得梅花香。其间，他作为首席科学家组织和领导团队成功设计和建造了高性能宽动量域小角中子散射谱仪。该谱仪融入了多项他首创的世界尖端中子技术，包括飞行时间框架跳越，谱仪与中子慢化器优化匹配，真正弯曲的多通道中子导管，大面积高压氦同位素探测器管阵，先进的多用途斩波器及先进的数据处理等。这些创新使得他们所建的谱仪成为国际上第一台世界级的飞行时间小角中子散射谱仪。而在此之前，高性能的小角中子散射谱仪都只建造在反应堆中子源上。他们的成功改变了这种情况，为后来的飞行时间小角中子散射在国际其他散裂中子源上的应用开辟了先例，也包括在中国的散裂中子源。

接受采访

“不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海。”用这句话来形容赵金奎的科研生涯，再合适不过。30年不断积累，厚积薄发，最让他充满底气和自信的就是这些年积累的扎实的理论技术知识和实践经验。正是这些居于前沿、扎实的理论技术体系和实践经验，帮他搭建起了科研的大厦。

在中子散射科学方面，赵金奎作为第一或通讯作者研究和发表了数十篇论文，论文总被引用次数逾五千。其创建的新的数据解析方法，使团队从动态核极化中子小角散射实验中可以直接测定L3和L4蛋白在50S核糖体中的位置、不对称性及其方向性。

赵金奎早年在动态核极化及其在中子散射中的应用领域积累的诸多创新成果，直接推动了美国散裂中子源动态核极化蛋白晶体衍射项目。受此影响，国际上的其他尖端散裂中子源，包括日本和欧洲，都在积极推动相关的项目。由他所建立的激酶-A溶液结构至今仍为生物化学家们提供着一个可靠的分子模型；其对激酶-G结构变化的研究，更是至今一直被引用。

作为动态核极化样品专家，赵金奎曾参与欧洲核子中心的自旋缪子合作项目，为其提供关键性的核极化样品技术服务。该合作致力于研究基本粒子的自旋结构，并发现了核自旋的非对称性，取得了诸多国际上公认的重要结果。

“苟日新，日日新，又日新”，多年遨游在中子散射研究的海洋里，让赵金奎更深刻地体会到创新的必要性。致力于新型中子散射技术的研究，他创建了多种创新型的中子散射技术和谱仪概念，包括全新的中子自旋回波共振技术、逆反几何型布里渊非弹性中子散射仪、相位分辨中子干涉仪全息中子成像、迈斯纳超导屏蔽下的中子自旋回波小角散射等。其中，全新的中子自旋回波共振技术比现有的中子自旋回波共振技术更加抗干扰且可有更高的分辨率。赵金奎和团队从理论上攻破了拉莫尔进动和无线电波共振两种方法各有所长，但又各有缺陷、很难将两者结合的难题，成功建造出相关实验谱仪，为非弹性中子自旋回波共振开创了一个全新的科技领域。

中子慢化器的设计，尤其是它与谱仪的匹配，一直是国际上散裂中子源设计的一个重要问题。在包括美国散裂中子源在内的多数大型散裂中子源设施中，慢化器与谱仪的匹配都有待大幅度提高。赵金奎在相关方面进行了深入的研究并得出了一套慢化器和谱仪匹配的理论。与此同时，他第一次系统地分析了长、短脉冲散裂中子源对不同中子散射方法的优缺点。相关成果可以大幅度增加中子散射谱仪的功能，提高散裂中子源的整体水平，也为未来散裂中子源的计划和设计起到了引导作用。

在大型科学计算，尤其在并行蒙特卡罗计算方面，赵金奎也有诸多创新成就。他撰写及发表了多个大型科学软件。这些软件涉及中子谱仪的设计、中子散射的数据处理及大分子模型的计算等。成果将在中国散裂中子源中得到应用，对散裂中子源中的相关项目起到直接的推动作用。

“树高叶茂，系于根深。”30多年从国内到国外跨越万水千山的积累探索，凭借扎实积累的韧劲和敢于创新的勇气，赵金奎走在了中子散射探索研究领域的前沿。但当来自故土的召唤响起，带着一身的底蕴积淀，他又踏上了归程。

乘势东风，布局践行——松山湖畔再启征程

30多年在外历练、沉淀，赵金奎一直坚持每隔一两年就回到中国科学院物理所拜访一下自己的恩师，见一见曾经的老师和同事。“1998年美国散裂中子源建立时，我们的国力还很落后，根本想不到国内还能建起自己的散裂中子源。但是仅仅两年后，这件事就被提上了议程，由我们材料实验室王恩哥理事长当时领导下的中国科学院物理所负责，张杰院士牵头研讨中国散裂中子源的项目”。赵金奎回忆，当时国内专家联系到正在参与美国散裂中子源建设的他，就建设中国散裂中子源征求意见，也正是在那以后，他在美国散裂中子源接待了多位中国科学家的实地考察，这些科学家包括王恩哥院士、路甬祥院士、白春礼院士、陈和生院士、严启伟教授等。

从那以后，赵金奎加大了与国内的沟通联系，每年多次回国，协助国内的专家和同事推进中国散裂中子源项目的论证，就相关科技问题作报告，为相关参数提供参考建议等。直到中国散裂中子源正式立项，转变为工程项目并且建设步入正轨，他才减少了回国的次数。

即便如此，赵金奎一直谦虚地说自己只是为中国散裂中子源项目最初的建立提供了一些自己的经验和参考意见。但通过这些频繁的沟通与交流，确实让赵金奎看到了中国推进中子相关研究的需求、决心和能力。

“中子很难获取，需要大量的资金投入来建设庞大的仪器设备。”据赵金奎介绍，高通量的中子源包括反应堆和散裂源。其中，散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置。中国散裂中子源建成后，成为发展中国家拥有的第一台散裂中子源，和正在运行的美国、日本与英国散裂中子源一起，构成世界四大脉冲散裂中子源。但与美国的散裂中子源相比，中国散裂中子源无论是资金投入还是设计功率都要少很多，这是基于我国当时科学技术发展的国情和实际需要。但中国的散裂中子源也有其特点：它在构型和重复频率上采用了独特优化的设计，能够满足我国大部分科研的需求。“因地制宜，走出特色”，成为中国散裂中子源的魅力所在。

中国散裂中子源的建设就像是一把利器，为我国在前沿材料科技研究和解决众多“卡脖子”问题开辟了新的途径。而松山湖材料实验室的建立，紧邻和依托中国散裂中子源，正合天时、地利，也创造了人和，人才是科学和技术发展的关键。

与爱人合影

“掌握材料，掌握未来”。松山湖材料实验室就是在这样的信念下，由实验室理事长王恩哥院士带领创建的广东省第一批省实验室之一。赵金奎所领导的中子科学平台，旨在通过中子散射技术的研发和中子散射在材料科学中的应用，解决目前我国在前沿科学和技术中的诸多“卡脖子”问题。工欲善其事，必先利其器。自2018年加入松山湖材料实验室以来，赵金奎每天都过得很忙碌，推动中子散射团队建设，开展中子散射研究，同时，也协助中国散裂中子源完善中子散射谱仪。当他对中国散裂中子源的谱仪布局进行研究后，发现散裂中子源原有的20条中子束线中有3条可以分叉，在同一条中子束线上建造两台以上的谱仪。他把这一建议做了初步物理设计并交给了散裂中子源进行下一步推动。这样的束线分叉可以把作为国家重大资源的散裂中子源的利用率提高15%以上。

“由于中国散裂中子源是一个中小通量的中子源，在中子通量和强度上无法和美国、日本及欧洲的大功率散裂中子源正面相比。因此，发展先进的中子散射技术和方法，建立自己的特长，是增加中国散裂中子源在世界上的竞争力，达到和保持先进水平的最好保障。”笃定努力的方向，借助先前积累的优势和经验，赵金奎开启了新一轮的探索征程，包括进行新型中子自旋回波共振中子散射技术的研发，提高拉莫尔进动和无线共振相结合的自旋回波技术的分辨率，超越现有国际先进水平；利用相位分辨中子干涉仪全息成像进行中子物理研究；发展和研究了自旋回波中子小角散射技术等。相关技术都属于国际前沿且我国需求的先进技术，如新型中子自旋回波共振中子散射技术利用极化中子散射，可以此来推动和帮助极化中子在中国散裂中子源的发展；自旋回波中子小角散射技术是超小角散射，在工业、矿业、地质等领域有着广泛的应用等。

团队部分人员合影

人才是发展之本，深谙此意的赵金奎自加入松山湖材料实验室以来就把队伍建设、培养人才的工作放在重要的位置，想方设法聚天下英才而用之。短短几年时间，团队从海外聘请了近10位资深和中青年国际中子散射专家。值得一提的是，这些专家中多人有20年以上的工作经验，多人入选国家高层次人才引进项目。另外，团队还着力于引进和培养年轻有为的青年科学家，整个团队还在不断扩大，结构趋于合理。如今，团队已经形成了中子量子材料研究、中子结构材料研究、中子软物质材料研究、中子能源材料研究、中子技术研发等主要前沿研究方向。随着人才的引进和团队的扩大，团队还将继续扩展和细化研究领域和方向。

“不得不说，相对北上广深，东莞的人才吸引力还有待加强。”这些年走过多个世界科研殿堂的赵金奎深知团队发展面临的局限性。但他反复强调科研学术氛围的重要性，这也是他最终选择回到中国科学院物理研究所的根本原因。“这里官僚气氛少一些，学术氛围更浓一些，可以让我全心全意地做自己喜欢做的科研，也可以与同行畅所欲言、碰撞交流，学术需要交流碰撞才能产生火花。”

多年的海外科研生涯，也让赵金奎在决定回国的时候，感觉到对国内的环境已然有些陌生。“但我的想法比较简单，‘一桌一椅’，做能做的事情，做有用的事情。”赵金奎的这种人生态度经常能影响到周边的人，他开玩笑说自己是“连蒙带骗”把团队里几位资深专家请过来的。“现在松山湖的品牌已经慢慢闯出来了，这其中松山湖材料实验室、散裂中子源等都作了很大贡献，东莞也出台了很多人才政策，虽然与广州、深圳等地还有一定差距，但也在不断完善中。”赵金奎相信，一切都会向好的方向发展。

“中国这些年的发展速度非常快，用10～20年的时间，在高尖端技术领域完成对世界先进水平的追赶是有希望的，如果能进一步完善机制、转变思维，例如提高对开创性研究的宽容度，在科研审批程序时去繁就简等，相信会有更好的发展。事实证明，很多大的创新会在冷门的研究领域里出现，所以前沿研究需要通过‘广撒网’来寻找突破口。不是每项探索都会有所突破，但并不是说他们的研究就没有价值，他们的探索可以让我们少走弯路；而精简科研审批制度，赋予科学家更大的自主权，可以让科研人员专心做科研而不是疲于应付其他事务。”虽然对周边的物质环境并没有过多的追求，但作为一名在海外科研殿堂工作多年的科学家，赵金奎也一直在用更全面的视角去看待时局的发展，且致力将先进的科学技术发展理念带回故土，希望能推进科研生态环境的改变。

回故土的这些年，赵金奎也一直致力于良好科研生态环境的建设，设立卓越青年学者基金吸引高水平青年学者前来开展独立研究，制订合理的实验室管理制度，给科研人员充分的自主权，与中国散裂中子源密切合作，充分利用他的特长和经验，推动散裂中子源后期谱仪的全面建设，协助散裂中子源在中子散射技术方面达到和保持世界先进水平。

“我希望再过10年后，回过头来看，发现自己还是做了一点有用的事情的。有用的事情可以定义得很高大上，也可以定义得很简单，对我来说，所做的科研对国家有用、对社会有用、对经济发展有用，哪怕只是一丁点，就是有意义的。”而这也正是赵金奎跨越千山万水，以知天命之年坚持回故土的本意。

松山湖畔，微风乍起。尽管时间被越来越多的事务所占据，赵金奎依然每天坚持骑行在滨湖路上。让他感到欣慰的是，随着越来越多志同道合的年轻科学家的加入，他的骑行队伍也会越来越庞大……