荷蘭阿姆斯特丹大學物理學係全獎博士招生 | Prof. Bakker

導師簡介

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教授是荷蘭(lan) 阿姆斯特丹大學範特霍夫分子科學研究所的傑出研究員和教授，是國際公認的分子光譜學和超快動力學領域的權威專(zhuan) 家。教授長期致力於(yu) 利用先進的超快激光光譜技術研究凝聚相分子係統，特別是水及其界麵的分子動力學行為(wei) 。他在阿姆斯特丹科技園工作，是荷蘭(lan) 皇家科學院(KNAW)的成員，也是歐洲物理學會(hui) 會(hui) 士。

教授的研究團隊在超快紅外光譜技術開發和應用方麵處於(yu) 國際領先地位，他們(men) 開發的飛秒泵浦-探測光譜和二維紅外光譜技術為(wei) 研究液體(ti) 、界麵和生物分子體(ti) 係的微觀結構和動力學提供了強有力的工具。通過這些技術，教授及其團隊在水的氫鍵網絡動力學、離子水合作用、界麵水分子行為(wei) 以及生物大分子水合與(yu) 構象變化等方麵取得了一係列重要突破。

研究領域

教授主要的教學領域集中在物理化學、分子光譜學和超快動力學方麵。在阿姆斯特丹大學，他擔任"凝聚相分子的超快光譜"領域的教授，為(wei) 學生提供從(cong) 基礎光譜理論到先進實驗技術的係統培訓。

他的研究興(xing) 趣主要包括以下幾個(ge) 方麵：

1. 水及水溶液的分子動力學：特別關注水分子中的氫鍵網絡結構、形成和斷裂動力學，以及溶質-溶劑相互作用；
2. 界麵水的結構與動力學：研究水-空氣界麵、水-脂質界麵等不同界麵處水分子的特殊行為和取向；
3. 生物分子水合與構象變化：研究蛋白質、多糖等生物大分子與水的相互作用，及其對分子功能的影響；
4. 超快振動能量傳遞與弛豫過程：研究分子體係中振動能量的傳遞路徑和弛豫機製；
5. 先進光譜技術的開發與應用：發展和完善二維紅外光譜、和頻生成光譜等新型實驗技術。

研究分析

1. "Direct Probing of Vibrational Interactions in UiO-66 Polycrystalline Membranes with Femtosecond Two-Dimensional Infrared Spectroscopy"(2022)

該論文發表在《物理化學快報》(Journal of Physical Chemistry Letters)上，教授與(yu) Korotkevich等合作者利用飛秒二維紅外光譜技術研究了金屬有機框架材料UiO-66多晶膜中的振動相互作用。UiO-66是一種重要的多孔材料，在氣體(ti) 吸附、分離和催化等領域有廣泛應用。論文通過二維紅外光譜直接觀察到了UiO-66結構中不同化學鍵振動模式之間的相互作用，揭示了材料分子尺度的動態特性，為(wei) 理解該類材料的功能機製提供了新的視角。這項研究展示了教授在將先進光譜技術應用於(yu) 材料科學領域的創新能力。

2."Accelerated Vibrational Energy Relaxation of Water in Alkaline Environments"(2021)

發表在《物理化學雜誌B》(Journal of Physical Chemistry B)上的這篇文章，教授與(yu) Cota和Woutersen合作研究了堿性環境下水分子振動能量弛豫的加速現象。研究團隊使用超快紅外泵浦-探測光譜技術，係統地研究了高pH環境對水分子OH伸縮振動能量弛豫過程的影響。他們(men) 發現，在堿性溶液中，水的振動能量弛豫顯著加速，並揭示了氫氧根離子如何通過影響水的氫鍵網絡結構來加速這一過程。這項研究對理解水在特殊環境下的微觀行為(wei) 具有重要意義(yi) ，也為(wei) 水溶液中的化學反應動力學研究提供了新的見解。

3. "Strong Reduction of the Chain Rigidity of Hyaluronan by Selective Binding of Ca²⁺ Ions"(2021)

這篇發表在《大分子》(Macromolecules)雜誌上的論文，是教授與(yu) 多位合作者共同完成的跨學科研究。透明質酸是一種重要的生物大分子，在生物體(ti) 內(nei) 起著潤滑、保水等多種功能。該研究通過超快光譜技術和分子動力學模擬，揭示了鈣離子與(yu) 透明質酸的特異性相互作用，發現鈣離子能顯著降低透明質酸鏈的剛性，從(cong) 而改變其物理化學性質。這項研究為(wei) 理解鈣離子如何調節生物體(ti) 內(nei) 透明質酸的功能提供了分子層麵的機製解釋，對生物醫學和材料科學領域都具有重要意義(yi) 。

4. "Molecular Structure and Surface Aggregation Dynamics of Hyaluronan at the Water-Air Interface"(2021)

該研究發表在《高分子》(Macromolecules)期刊上，教授與(yu) Moll等人共同研究了透明質酸在水-空氣界麵的行為(wei) 。研究團隊結合表麵張力測量和和頻生成光譜技術，觀察了透明質酸在界麵的聚集過程和結構變化。研究發現，透明質酸在水-空氣界麵呈現出與(yu) 體(ti) 相中不同的構象和排列方式，並隨著時間展現出特定的積聚動力學。這項工作對理解生物界麵中透明質酸的行為(wei) 具有重要意義(yi) ，也為(wei) 開發新型生物材料提供了基礎知識。

5. "Water Reorientation Dynamics in Colloidal Water-in-Oil Emulsions"(2021)

在這篇發表於(yu) 《物理化學與(yu) 化學物理》(Physical Chemistry Chemical Physics)的論文中，教授與(yu) Van Dam、Gouzy等人研究了膠體(ti) 水-油乳劑中水分子的重定向動力學。通過偏振分辨紅外泵浦-探測光譜，他們(men) 測量了乳劑中水分子的旋轉弛豫時間，並研究了表麵活性劑和油相成分如何影響這一過程。研究結果表明，乳劑滴中的水分子動力學受到界麵效應的強烈影響，與(yu) 體(ti) 相水表現出明顯不同的行為(wei) 。這項研究對食品、化妝品和藥物輸送係統等涉及乳劑的應用領域具有重要參考價(jia) 值。

6."Hydration Interactions Beyond the First Solvation Shell of Phenolate Solutions"(2020)

這篇發表在《物理化學與(yu) 化學物理》(Physical Chemistry Chemical Physics)上的論文，教授與(yu) Cota、Tiwari等人合作，使用超快紅外光譜和分子動力學模擬研究了苯酚鹽離子周圍水分子的水合結構和動力學。研究關(guan) 注的重點是溶質分子對第一溶劑化殼層之外水分子的影響，這是傳(chuan) 統研究中常被忽視的領域。結果表明，苯酚鹽的影響可以延伸到第一溶劑化殼層之外，改變更遠距離水分子的行為(wei) 。這項研究深化了人們(men) 對離子水合過程的理解，為(wei) 解釋許多溶液中的化學和生物學過程提供了新的視角。

項目分析

1. 超快光譜研究水分子動力學項目

教授是非線性飛秒振動光譜技術的先驅之一，他"最早使用這項技術研究液態水的特性(Science 278, 658 (1997))"，開創了一個(ge) 新領域，此後全球許多研究組都采用這種技術研究水和其他氫鍵係統的特性。 該項目主要通過發展和應用超快振動光譜技術研究水分子的氫鍵動力學和能量傳(chuan) 遞過程。項目研究了純水、重水以及各種水溶液中的振動能量弛豫、分子重定向和氫鍵網絡重組等過程，揭示了水在分子尺度上的獨特行為(wei) 。通過這個(ge) 項目，教授團隊首次發現水的OH伸縮振動弛豫時間隨溫度升高而增加的反常現象，這被認為(wei) 是水的重要特性之一。項目還發現水分子之間存在極快的共振振動能量傳(chuan) 遞，這在水的能量耗散動力學中起著重要作用。

2. 界麵水結構與(yu) 動力學研究項目

這個(ge) 項目專(zhuan) 注於(yu) 研究各種界麵(水-空氣、水-脂質、水-蛋白質等)處水分子的結構和動力學特性。教授團隊開發和應用了表麵和頻生成光譜和二維表麵振動光譜等先進技術，實現了對界麵水分子的高靈敏度檢測。項目發現界麵水的氫鍵網絡與(yu) 體(ti) 相水有顯著不同，在水-空氣界麵，氫鍵交換動力學比體(ti) 相水慢約三倍。這些研究對理解生物膜界麵水的行為(wei) 、電化學界麵過程以及大氣化學中的氣-液界麵反應具有重要意義(yi) 。

3.生物分子水合與(yu) 功能研究項目

教授及其團隊利用線性和二維紅外光譜研究了抗凍糖蛋白(AFGPs)的溶液結構，通過測量酰胺I和酰胺II振動之間的耦合，獲得了比線性吸收光譜更清晰的結構信息，從(cong) 而確定了這類蛋白質的不同結構元素。 這個(ge) 項目研究生物分子（如蛋白質、糖類、核酸等）的水合過程及其與(yu) 分子功能的關(guan) 係。通過研究水分子如何與(yu) 生物分子相互作用，項目揭示了水合結構對生物分子構象穩定性和功能活性的影響。例如，在研究抗凍蛋白時，發現蛋白質表麵特定的水合模式對其與(yu) 冰晶結合的能力至關(guan) 重要。項目還研究了透明質酸等生物多糖的水合特性，發現鈣離子可以通過改變水合結構來影響這些分子的鏈剛性和物理化學性質。

研究想法

1. 多維光譜技術的新發展與應用教授在二維紅外光譜和表麵和頻生成光譜方麵已有深厚積累，未來可以探索發展三維或更高維度的光譜技術，結合時間、頻率、偏振和空間分辨等多個維度，獲取更全麵的分子動力學信息。例如，可以設計二維紅外-太赫茲關聯光譜實驗，同時探測分子內振動和集體分子運動之間的耦合；或開發空間分辨的二維表麵光譜技術，實現對不均勻界麵的高精度表征。
2. 複雜體係中的水動力學研究將教授的水動力學研究擴展到更複雜的體係，如生物細胞內的擁擠環境、離子液體、深共熔溶劑或納米限域體係中的水。這些環境下水的行為可能與體相水有本質區別，理解這些差異對許多生物學和材料科學問題具有重要意義。具體可以設計實驗研究細胞質模擬環境中水的氫鍵動力學，或研究石墨烯納米通道中單分子層水的振動能量傳遞特性。
3. 生物界麵的水合動力學與功能調控在教授已有的生物分子水合研究基礎上，可以更深入地探索水合結構與生物功能的關係，特別是水合動力學如何影響生物界麵的功能。例如，研究膜蛋白周圍水合層的動力學如何調節離子通道的選擇性和通透性；或探究DNA-蛋白質相互作用界麵的水合結構變化與基因調控的關係。
4. 界麵水分子行為的精確理論模型構建結合教授的實驗數據和先進的理論計算方法，構建更精確的界麵水分子行為理論模型。例如，基於超快光譜數據開發機器學習模型，預測不同界麵條件下水分子的排列和動力學特性；或結合分子動力學模擬和密度泛函理論，建立界麵水氫鍵網絡演化的多尺度模型。
5. 超快光譜在催化反應機製研究中的應用將教授開發的超快光譜技術應用於催化反應機製研究，特別是水參與的催化反應。例如，利用時間分辨二維紅外光譜研究水氧化催化過程中的中間態結構和壽命；或探究光催化分解水產氫反應中質子轉移步驟的微觀機製。
6. 水-溶質相互作用的分子識別機製研究深入研究水分子與不同溶質間的相互作用模式，探索水介導的分子識別機製。例如，利用二維紅外光譜和分子動力學模擬，研究藥物分子與靶蛋白結合過程中水合結構的變化及其對結合親和力的影響；或探究離子選擇性傳感器中水分子排列如何促進特定離子的識別。

申請建議

1. 學術背景準備

想要申請教授的博士生或博士後職位，申請者應具備紮實的物理化學基礎，特別是在分子光譜學、統計熱力學和量子力學方麵。理想的背景包括物理學、化學物理、物理化學或相關(guan) 交叉學科。建議申請者係統學習(xi) 振動光譜的基本理論，包括紅外光譜、拉曼光譜以及非線性光譜的原理。此外，了解分子動力學模擬的基本方法也會(hui) 是一個(ge) 優(you) 勢。

2. 實驗技能培養(yang)

教授的研究高度依賴於(yu) 先進的實驗技術，因此申請者應當積極培養(yang) 以下實驗技能：

• 超快激光係統的操作和維護經驗
• 紅外光譜技術，特別是時間分辨光譜
• 光學係統的設計和優化能力
• 信號處理和數據分析技能
• 光譜數據解釋和理論模型構建能力
• 如果可能，參與超快光譜相關的科研項目或實習，獲取直接的實驗經驗。

3. 研究計劃準備

申請時，應精心準備一份研究計劃，展示你對教授研究領域的深入理解以及你能帶來的創新思路。研究計劃應:

• 明確定位在教授的核心研究領域（如水動力學、界麵水結構、生物分子水合等）
• 提出有創新性且可行的研究問題
• 結合最新文獻和自己的見解
• 說明如何利用教授實驗室的技術優勢
• 闡述研究的潛在科學意義和應用價值

4. 論文閱讀與(yu) 理解

在申請前，務必深入閱讀教授及其合作者近年發表的關(guan) 鍵論文，特別關(guan) 注:

• 《Vibrational Spectroscopy as a Probe of Structure and Dynamics in Liquid Water》(Chemical Reviews)這一綜述性文章
• 近年來關於二維紅外光譜和表麵和頻生成光譜的方法論文章
• 與你研究興趣最相關的主題論文
• 通過閱讀，理解研究問題的前沿、實驗方法的優勢與局限，以及現有理論解釋的不足，從而找到可能的創新點。

5. 跨學科知識積累

教授的研究具有強烈的跨學科特性，因此申請者應當積極拓展相關(guan) 領域的知識，如:

• 生物物理學，特別是生物分子與水的相互作用
• 界麵科學和膠體科學的基本理論
• 計算化學和分子模擬方法
• 材料科學中與水相關的現象（如水合、吸附等）

博士背景

Felix，美國top10學院物理學係博士生，專(zhuan) 注於(yu) 量子計算和凝聚態物理的交叉研究。擅長運用量子場論和拓撲量子計算方法，探索拓撲絕緣體(ti) 和超導體(ti) 中的新奇量子態。在研究Majorana費米子在量子計算中的應用方麵取得重要突破。曾獲美國物理學會(hui) 最佳學生論文獎，研究成果發表於(yu) 《Nature Physics》和《Physical Review Letters》等頂級期刊。