大一新生入組搞砸實驗，卻意外實現(xiàn)重要概念性突破

兩位大一新生，參加了一個為期3周的研究項目。在這種往往是走走過場的超短期項目中，他們竟然搞砸了，因操作失誤直接導致原實驗失敗。然而，失敗的產(chǎn)物意外帶出新的研究，并最終刊登在Science上。兩個科研新手成為論文共同作者。這個科研突破的幕后故事，讓人深刻感受到科研的魅力與堅持的力量。

編譯 | 小葉

烏特勒支大學是荷蘭最古老、規(guī)模最大的大學，同時也是歐洲最好的研究型大學之一。2005年，烏特勒支大學理學院正式創(chuàng)立，同年，學院化學系的研究團隊在Science期刊上發(fā)表了一篇重要論文，首次闡明了雜質對晶體生長機制的關鍵作用，助力材料科學實踐轉化的重大突破，可謂雙喜臨門。

今年，正值學院成立20周年，近期理學院公開分享了當年該成果背后不為人知但意義非凡的故事。

大一新生破格參與科研項目

該研究的共同作者之一，是當時擔任化學系副教授的Willem Kege。他回憶說：“這篇論文最讓我滿意的并不是發(fā)表在頂刊上，而是剛入學的大一新生能有機會共同參與?！?/p>

當時，理學院剛剛組建，入學化學系的一年級新生數(shù)量大幅下降，從往年的一百多人銳減至三十多人。但從積極方面看，這恰好讓新生大大增加了獲得教授親自輔導的機會。老師們也在第一年就組織了一個為期3周的密集型研究項目。

有幸參與其中的包括新生Esther Groeneveld和Hans Scherff。作為實驗室新成員，由于缺乏經(jīng)驗，他們接手的第一個任務就是制備實驗用小膠體，大小從幾納米到幾微米不等。一開始，他們覺得這很簡單，然而，不久就出了狀況。實驗室除了他們倆人，其他人都能制備出很小的膠體顆粒。他們相當困惑，不知道自己哪里出錯了。

Esther一直就精確操作著制備過程，直到有一次，她在不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)Hans在制備時沒有將穩(wěn)定劑先單獨稱重，而是直接倒入混合物中，結果做出來的顆粒個頭偏大。對于要求步步精準的實驗來說，這無疑是導致實驗失敗的重大錯誤。

錯誤意外成就科研突破

搞清失敗原因后，倆人非常沮喪。不過，情況出現(xiàn)了意外轉機。他們的研究指導、二年級博士生Volkert de Villeneuve沒有將大顆粒膠體丟棄，當天晚上就拿來獨自做了一些額外測試。第二天，他很興奮地告訴組員們，這些顆粒不但不算廢品，還會是新研究的“大功臣”！

Willem解釋說：“大顆粒膠體啟發(fā)我們思考晶體生長的問題，學生們錯誤操作制備出的顆粒，恰好非常適合充當模擬膠體晶體中的雜質，而膠體晶體一般由更小的顆粒組成。我們可以用顯微鏡來觀察圍繞大顆粒雜質為中心的膠體晶體小顆粒生長過程，看看前者對后者會產(chǎn)生怎樣的影響。”這一新穎的研究思路讓大家立刻振奮起來，一起重新修改了研究計劃，將課題定為詳細探討球形雜質大小對膠體晶體生長的影響。

具體而言，研究人員使用激光掃描共焦顯微鏡展開觀察，重點聚焦雜質中心周邊區(qū)域的晶體小顆粒隨時間推移而形成并變化的過程，在微觀層面上關注雜質和晶體結構之間的相互作用。無論條件如何，研究人員發(fā)現(xiàn)雜質周圍總會有一層流體顆粒存在，在所有觀察的樣本中，這一層的特征幾乎都一致，說明雜質與周圍晶體顆粒層存在穩(wěn)定的相互作用。

但與此同時，雜質成為晶體結構中晶界的中心，于是，雜質曲率可導致晶體顆粒錯位排列。而較小的雜質會對晶體顆粒的有序排列產(chǎn)生更多干擾，因為晶體難以在較小的雜質周圍找到穩(wěn)定的位置，所以與更大的雜質相比，更小的雜質周圍的晶體顆粒生長更容易被抑制住?；诖耍芯咳藛T提出了一個全新的重要概念：晶體局部阻挫，即雜質形狀和大小會成為其周圍顆粒有序排列形成晶體結構的阻力。

對于這樣一個重要的概念性突破，當時的物理化學教授Henk Lekkerkerker建議向Science投稿，最終被接收并發(fā)表，令人相當驚喜。Willem提到：“論文的發(fā)表不僅與研究本身的質量相關，也離不開好運加持。對Science來說，海量的投稿都是高質量文章，但最終能發(fā)表，還要符合當前科學技術的發(fā)展趨勢和要求?！辈浑y理解，這篇論文能夠對應用轉化有很大的指導作用。

實際上，了解雜質大小與晶體生長之間的關系對于實踐應用至關重要，例如，在優(yōu)化藥物遞送系統(tǒng)、光子器件以及其他先進材料等方面，科學家能夠通過設定雜質大小來調控材料中晶體的形成，操控其特性以適用于特定用途。

科研之路仍在繼續(xù)

這篇論文不僅給學界帶來突破，也成為了每位參與研究的組員科研生涯中濃墨重彩的一筆。

在論文發(fā)表一年之后，Willem正式晉升為正教授，這并非巧合，他也承認：“當年能在頂級期刊發(fā)表論文是科研生涯發(fā)展所必須的要求。這其實是我在Science發(fā)表的第二篇論文，對我事業(yè)的助力極大?！焙髞?，Willem一路晉升至化學系主任，后又擔任過教育主任，如今是烏特勒支大學德拜納米材料科學研究所的教授。對他來說，科研和教學是他一生熱愛的事業(yè)。盡管三年之后他即將退休，但仍希望能夠盡可能長久地堅持下去，指導學生。

當時的博士生Villeneuve是這篇Science論文的第一作者。

至今，Villeneuve都在自己的領英上記錄著這段往事：我指導的大一學生做了一個失敗的實驗，結果發(fā)現(xiàn)了一些顆粒，如果換個角度看，這些顆粒顯示出了巨大的潛力，這也是我論文中許多章節(jié)的起點。他認為自己在讀博階段的另一個亮點，就是他指導的幾乎所有本科生、碩士生都在期刊上發(fā)表了論文。

他在取得博士學位后，繼續(xù)在烏特勒支大學做博士后研究，隨后進入產(chǎn)業(yè)界從事研發(fā)工作。2024年9月，他創(chuàng)立了一家香味技術顧問公司。

而對Esther來說，作為新生就有幸直接參加科研項目是一場完美的學習經(jīng)歷。她和Hans也是這篇Science論文的共同作者。她說：“這么早就體驗到真實的學術研究氛圍，感覺太棒了。另外，對Hans和我來說，這段經(jīng)歷還有特殊的個人意義：我們當時剛剛開始約會，在實驗室里一起度過三個星期是對關系的終極考驗。我們以優(yōu)異的成績通過了：二十年后，我們?nèi)匀辉谝黄??！?/p>

Esther和Hans 在2005年的合影。

Esther和Hans 在2025年的合影丨圖源：烏特勒支大學網(wǎng)站

此外，通過這次考驗的Esther信心滿滿地確定了自己未來一生的材料化學科研道路，她在烏特勒支大學一待就是十年，從懵懵懂懂的大一新生，到成為經(jīng)驗老道的博士研究生，還留校在Van't Hoff物理和膠體化學實驗室做了6個月的博士后。隨后，她便轉戰(zhàn)業(yè)界，作為化學家繼續(xù)為科研事業(yè)奮斗，充滿熱情地與學界展開諸多新興的合作研究項目，直至今日。

回顧這段20年前的科研佳話，開始緣于學生們的一個錯誤，當時這項研究很可能夭折，但科學家們并沒有灰心喪氣選擇放棄，真正的科學精神是不輕易否定錯誤，而是積極從中探索潛在的新機遇，開辟出全新的道路，最終及時調整方向，收獲意想不到的成果。

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