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韩飞是香港中文大学多尺度精密仪器实验室的博士后，他学术上的黄金搭档谷松韵正在这里读博。
在许多人眼里枯燥冗长的实验，他们却能乐此不疲，在无尽的科学探索里感到趣味盎然，并取得令人振奋的成果。
即使在经历波折且痛苦的投稿过程时，他们仍坚持一往无前。为了“征服”审稿人，他们不分昼夜地在实验室忙碌，在历时一年零一个月的四轮修改中补了69页、近28000字的回复和实验内容。
2022年12月23日，他们作为共同第一作者的研究论文发表在Science上。这是两人学术生涯里的首篇Science，也是谷松韵以一作身份发表的首篇学术论文。香港中文大学教授陈世祈和美国卡内基梅隆大学副教授招泳欣为论文共同通讯作者。

韩飞（左）和谷松韵

“一面之缘”促成合作

这项研究始于“一面之缘”，仿佛一切都是命运的安排。 
2019年，陈世祈作为受邀演讲者访问卡内基梅隆大学，与招泳欣进行了一次影响深远的对话，那也是两人唯一的一次见面。在那之前，招泳欣看到了陈世祈团队刚刚发在Science上的一项重大成果——飞秒镭射投影双光子聚合光刻（FP-TPL）3D打印技术，备受震撼。
“这是一种可以在纳米尺度上用投影方式进行打印的3D打印技术，打印速度提升1000倍，打破世界纪录，可节省98%的打印成本。”陈世祈在接受《中国科学报》采访时介绍。
“我的生物光子学实验室主打膨胀显微镜技术，对水凝胶很熟悉。谈话结束后，我和陈老师一拍即合，想联合双方的技术优势和专业知识来实现一个大胆的想法——开发能把可打印纳米器件的尺寸减小到10纳米量级的方法。”招泳欣在接受《中国科学报》采访时说。

陈世祈

招泳欣
想象一下，一个干瘪的气球上面刻满了很复杂的图案，用肉眼很难看清，但当你把气球吹大后，图案便清晰可见。而研究团队的做法则是反其道行之。他们从麻省理工学院2018年在Science上发的一篇论文里获得了灵感，认为用收缩水凝胶来得到超高分辨率纳米结构的想法很好。
“用水凝胶扮演气球的角色，在充分膨胀的水凝胶上用飞秒双光子激光快速打出三维图案，再把这个图案作为一个模板来沉积目标材料。这样就可以把打印过程做得又精密，又快。”招泳欣介绍。
然而，团队开始实验后才发现之前的方法存在诸多局限。“当我在复现那项研究时，发现了很多不一样并且难以解释的现象，水凝胶收缩的方法也不宜照搬。我们猜测这是使用了不同的激光光源导致的，是一种新的激光与水凝胶的相互作用。但由于大家对这方面了解甚少，实验一时遇到了瓶颈。”谷松韵在接受《中国科学报》采访时说。
怎么样既能让水凝胶收缩，又不破坏打上去的图案，同时这个过程还要高度可控呢？
“通过偶然的机会，松韵发现荧光素分子可以自动被水凝胶中激光扫描形成的图案所吸引，组成荧光图案。”韩飞在接受《中国科学报》采访时说。
韩飞从纳米化学的角度出发，提出这可能是一种新的自组装现象，可以采用纳米化学的知识设计一些动力学手段对其进行精密调控，从而实现从分子或纳米颗粒出发，利用自组装直接构建任意目标材料的任意3D纳米结构的目的。
他们最终确定由纳米颗粒大小产生的空间位阻、和材料亲水性影响的氢键这两种动力学因素的结合可对这种自组装过程实现纳米级精度的控制。由于颗粒直径是所有纳米材料都具备的内在性质，并且所有可分散于水中的材料都具有亲水性，这种设计思路实现了在所有3D微纳加工体系中最好的普适性。
在确定思路后，韩飞和谷松韵一起摸索了很多细节。包括收缩的条件，比如在有机溶液、盐溶液、或是酸里收缩；还有沉积的条件，将水凝胶浸泡在含有金属、合金、钻石、分子晶体、聚合物或钢笔墨水等纳米颗粒的液体中，再通过配体调控等手段进一步微调和优化自组装过程。
“这也是纳米合成化学的机理第一次深度应用在3D微纳加工里。”韩飞说。
例如，如果将飞秒激光打印好的水凝胶放入银纳米颗粒溶液中，尺寸合适的银纳米颗粒会在氢键的引导下和空间位阻的阻拦下沿着激光打印的图案自组装到凝胶中。当凝胶变干时，它可以收缩为原来尺寸的1/13，体积缩小了超过两千倍，使得银的密度足够形成纳米银线并导电。

因为其依赖的激光作用和动力学控制可在三维中起作用，所以打印的图案也可以是三维的。 

纳米尺度的十二生肖展示了可打印材料的普适性
他们还打印了一组纳米尺度的十二生肖，每一种动物用不一样的材料。材料普适性是这项研究的一大亮点，团队共试过17种理化性质完全不同的材料，都可以用这一方法打印。
该技术展现出了在加密光存储中的应用前景。“根据我们的研究结果，这项技术可以在一立方厘米的空间中存储5PB的信息，这相当于是美国所有学术研究图书馆总量的2.5倍。”招泳欣说。
这项成果为设计复杂的纳米器件打开了新世界的大门，团队未来的目标是用多种材料构建功能性纳米器件。“我们希望利用这项新技术来制造功能性纳米设备，比如纳米电路、纳米生物传感器，甚至是用于不同应用的纳米机器人。”陈世祈表示。

补了69页、近2.8万字的实验内容

和许多能够投顶级期刊的研究相比，这项课题耗费的时间其实并不算很长。虽然每位团队成员都为之殚精竭虑，但从开始至投稿还不到一年。投稿过程却经历了一波四折。
“我们用了3个月打磨文章，然后陈老师用了半个多月修改。2021年10月，怀揣着满腔的期待，文章投给了Science。一个月后，收到了审稿意见，我看完后有一种两眼一黑的感觉，之前虽然也发表过2篇顶刊，还没有见过这么有攻击性的意见。”韩飞回忆道。
这次一共有3位审稿人，前两位对文章创新性、打印流程设计、打印效果的方方面面攻击了一遍。第3个人肯定了文章的创新性，说研究“非常令人兴奋”，他认为从打印效果而言，这篇文章值得发在Science上，但他提出了30多个需要仔细回答的问题。
文章被拒只是一个开始，接下来是漫长而纠结的“过山车”之旅。
“我们仔细研究了审稿人一的意见，发现可以通过一些实验来反驳他的质疑。但审稿人二对我们的工作其实存在比较严重的误解，我们采用的是全新的纳米化学里的动力学控制手段去实现材料的普适性，但其中的机理需要有一定化学背景的人才能看懂，显然审稿人二没有理解，所以没有注意到我们机理上创新性。”韩飞说。
研究团队给期刊编辑写了一封长邮件，申诉相关情况。编辑表示可以一试，待看到改稿后，再决定是否能给重投的机会。
没说的，必须抓住这一线生机。他们花了数月时间补实验，以及准备申诉的回复。
这期间发生了一个小插曲。
“两个月没日没夜地补实验，就在接近尾声时，突然香港新冠疫情暴发。由于文书方面的工作不在学校也可以做，我们加夜班抓紧补完了实验，想请假回家躲避一阵。”韩飞说。
韩飞家在哈尔滨，谷松韵家在宁波。当时回内地的隔离政策是14+7+7，在隔离酒店期间，韩飞和谷松韵起早贪黑地修改文章，以及给审稿人的回复。
“隔离点其实是很好的让人静心的环境，现在回想起来，虽然那时候被困在一个房间里，哪儿也去不了，但却可以让我们百分百集中精力投入到工作中。所以在短短的时间里，我们完成了第一轮修改38页、近15000字的内容，把所有可能需要解释的细节做到面面俱到。”韩飞表示。
这样的篇幅在Science的论文里都极为少见。据韩飞回忆，“陈老师看到所有的修改材料时，不禁感叹从来没有给审稿人写过这么长的回复。”
待导师改完，文章再次发给编辑。大家苦等了两周多，终于收到了好消息——编辑开了重投的通道。
文章再次投出，祸福难料。一个半月后快出结果时，韩飞和谷松韵每天都在投稿系统刷日期动态，日期每变一次就代表编辑可能在看或者审稿人已返回意见。他们睡前刷一遍，睡醒再刷一遍，这是他们在家生活时的重要组成部分。
“我经常安慰他们，告诉他们不用太着急，因为通常Science或Nature的工作周期是比较长的，像生物类的很多三五年才出成果，最后能不能投出去都不一定。”陈世祈说。

好在这一次的审稿意见露出了曙光。审稿人一表示，修改后的文章已达到在Science发表的水准，但仍需补充一些实验细节。审稿人二很看好文章中的光储存应用，但指出目前做的效果与别人做的效果并未拉开本质差距。而审稿人三只提了一个问题，并表示只要把实验补完就可以了。 

韩飞和谷松韵分别在化学实验室和光学实验室做实验

焦点再次回到补实验。彼时，还在家里的两人在看完审稿意见后非常兴奋，立马订了回香港的机票。
为了让审稿人满意，韩飞和谷松韵又将许多实验细节进行完善，回复内容近8000字。这一轮修改提交后，审稿人一再无意见。审稿人二指出补充的内容没有完全说服他，用一页半的篇幅再次提出很多问题。审稿人三更夸张，竟然提了满满三页问题。
“我们也不清楚为什么第三个审稿人的意见如此波折，但他们提了我们就得回答。第三轮，我们又把所有意见事无巨细地回复了一遍，这一次的内容近5000字。没成想，在这一轮之后，审稿人三又提了一页半的意见，这出乎所有人的意料，甚至连编辑都在回信中表示了意外，编辑认为我们的文章已经达到了发表水准。”韩飞说。
在第四轮修改后，2022年11月底，文章被正式接收，所有人都如释重负。谷松韵用一句话来形容：“跟当年高考结束时的感觉一样。”
“能把这些最初犀利批评我们的审稿人都‘征服’，以后无论碰见什么样的审稿人，我们都不会被吓倒了！”韩飞笑着说。

“1+1＞2”的黄金组合

从开启课题开始，韩飞和谷松韵仿佛住进了实验室，两人都是“拼命三郎”。韩飞在接受采访时感慨，这应该是高中两年之外最努力的时光，可能这就是高考的感觉吧。
临近2021年春节时，他们合计可以趁着春节休息几天，到初四再来做实验。结果，初二那天，两人都不约而同地出现在实验室，相互问候春节快乐之后，继续投入到实验中。
他们就是如此默契，基于对科研的热爱和专业知识的互补，成为了并肩作战的战友。
在合作之前，两人完全是不同的求学轨迹。韩飞高三便已出国，并且拿到新加坡政府全额奖学金，在南洋理工大学提前本科毕业后继续硕博连读，又提前毕业获得博士学位，进入陈世祈的课题组做博士后。谷松韵则是以优异的高考成绩进入浙江大学竺可桢荣誉学院和光电科学与工程学院，毕业后直接到香港中文大学读博。
“因为我们的专业完全互补，一个主打纳米和化学领域，一个擅长搭建光学平台，所以在做这项研究时效率很高。用光学系统3D打印水凝胶的过程可以放心地交给松韵，而与化学和机理相关的部分则是我的专长。”韩飞说。
两人选择导师的理由也是出奇的一致。“初次见面就都觉得陈老师为人很好，而且对学生做的各种课题都会全力支持，课题组的学生实现了充分的科研自由，这对我们实验的开展非常重要。”
韩飞举了一个事例：“有些实验需要到物理系实验室完成，其中有一个表征要用到离子束切割，相应的仪器使用费很贵，每小时要花七八百港币，而每拍一个样品得耗费一下午的时间。当时拍了30多个小时，只这一项就花了陈老师几万块钱，更不用说其他表征和实验材料的购买了，都是以万为单位的。但他依然从始至终都很支持我们。”
实验受挫是科研常态，失败也是家常便饭。饶是韩飞和谷松韵这样的黄金组合也不能幸免。在课题初期，他们一直在跟水凝胶“磨合”。由于他们都没有操作水凝胶和3D打印的经验，不熟悉水凝胶的“脾性”，他们在操作时遇到许多困难。
韩飞还清楚地记得最初会出现的一些突发状况。当时为了拍扫描电子显微镜，他们需要把水凝胶收缩、脱水，收缩完的体积不到1毫米，这么小的东西其实极难操作。
“我们用镊子夹起它往基底上贴时，它啪地一下掉了，我们赶紧趴在桌子上地毯式搜寻了好久。这事一旦发生，能不能找到全凭运气。找不到的话几个小时的实验时间就浪费了。”韩飞说。
除了收缩遇阻外，脱水干燥也不容易。水凝胶很黏，看起来像果冻一样，如果要想保持水凝胶的形状，太快、太慢脱水都不行。
“我们在机械系，没有专业的化学实验室。甚至实验的绝大多数器材比如离心机、加热板、磁力搅拌器等都是我来到陈老师这边之后购买的。实验室也不是恒温恒湿的。而这项研究的实验恰好贯穿了整个春夏秋冬，实验室的温度和湿度一直在变，水凝胶干燥的速度也会变，导致初期实验经常失败。”韩飞表示。
最初的成功率还不到50%，直到后来谷松韵发明出悬挂干燥法，问题才迎刃而解。
谷松韵总能设计出一些非常巧妙的方法解决问题，并且具有扎实的专业知识和主观能动性，这都令韩飞很是欣赏。
而在谷松韵的眼里，韩飞具有前瞻性的眼光，看得长远，而且在他的科研历程里，韩飞还起到了很强的引导作用。“韩博在两年前刚接触课题时就说，如果他的设计思路正确，最终能够实现他预计的普适性，那就一定是个Science级别的工作，我刚听说的时候也不是没有怀疑过。”
能在科研道路上找到专业知识和技能都非常互补的搭档绝非易事，所以两人希望未来能继续在学术上开展合作，结合彼此的专业背景发挥出“1+1＞2”的作用，在无穷的科学世界里碰撞出更多的火花。
（文中所有图片皆为受访者供图）
参考链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm8420
http://science.sciencemag.org/content/366/6461/105

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