荷兰阿姆斯特丹大学物理学系全奖博士招生 | Prof. Bakker

导师简介

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教授是荷兰阿姆斯特丹大学范特霍夫分子科学研究所的杰出研究员和教授，是国际公认的分子光谱学和超快动力学领域的权威专家。教授长期致力于利用先进的超快激光光谱技术研究凝聚相分子系统，特别是水及其界面的分子动力学行为。他在阿姆斯特丹科技园工作，是荷兰皇家科学院(KNAW)的成员，也是欧洲物理学会会士。

教授的研究团队在超快红外光谱技术开发和应用方面处于国际领先地位，他们开发的飞秒泵浦-探测光谱和二维红外光谱技术为研究液体、界面和生物分子体系的微观结构和动力学提供了强有力的工具。通过这些技术，教授及其团队在水的氢键网络动力学、离子水合作用、界面水分子行为以及生物大分子水合与构象变化等方面取得了一系列重要突破。

研究领域

教授主要的教学领域集中在物理化学、分子光谱学和超快动力学方面。在阿姆斯特丹大学，他担任"凝聚相分子的超快光谱"领域的教授，为学生提供从基础光谱理论到先进实验技术的系统培训。

他的研究兴趣主要包括以下几个方面：

1. 水及水溶液的分子动力学：特别关注水分子中的氢键网络结构、形成和断裂动力学，以及溶质-溶剂相互作用；
2. 界面水的结构与动力学：研究水-空气界面、水-脂质界面等不同界面处水分子的特殊行为和取向；
3. 生物分子水合与构象变化：研究蛋白质、多糖等生物大分子与水的相互作用，及其对分子功能的影响；
4. 超快振动能量传递与弛豫过程：研究分子体系中振动能量的传递路径和弛豫机制；
5. 先进光谱技术的开发与应用：发展和完善二维红外光谱、和频生成光谱等新型实验技术。

研究分析

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

该论文发表在《物理化学快报》(Journal of Physical Chemistry Letters)上，教授与Korotkevich等合作者利用飞秒二维红外光谱技术研究了金属有机框架材料UiO-66多晶膜中的振动相互作用。UiO-66是一种重要的多孔材料，在气体吸附、分离和催化等领域有广泛应用。论文通过二维红外光谱直接观察到了UiO-66结构中不同化学键振动模式之间的相互作用，揭示了材料分子尺度的动态特性，为理解该类材料的功能机制提供了新的视角。这项研究展示了教授在将先进光谱技术应用于材料科学领域的创新能力。

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

发表在《物理化学杂志B》(Journal of Physical Chemistry B)上的这篇文章，教授与Cota和Woutersen合作研究了碱性环境下水分子振动能量弛豫的加速现象。研究团队使用超快红外泵浦-探测光谱技术，系统地研究了高pH环境对水分子OH伸缩振动能量弛豫过程的影响。他们发现，在碱性溶液中，水的振动能量弛豫显著加速，并揭示了氢氧根离子如何通过影响水的氢键网络结构来加速这一过程。这项研究对理解水在特殊环境下的微观行为具有重要意义，也为水溶液中的化学反应动力学研究提供了新的见解。

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

这篇发表在《大分子》(Macromolecules)杂志上的论文，是教授与多位合作者共同完成的跨学科研究。透明质酸是一种重要的生物大分子，在生物体内起着润滑、保水等多种功能。该研究通过超快光谱技术和分子动力学模拟，揭示了钙离子与透明质酸的特异性相互作用，发现钙离子能显著降低透明质酸链的刚性，从而改变其物理化学性质。这项研究为理解钙离子如何调节生物体内透明质酸的功能提供了分子层面的机制解释，对生物医学和材料科学领域都具有重要意义。

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

该研究发表在《高分子》(Macromolecules)期刊上，教授与Moll等人共同研究了透明质酸在水-空气界面的行为。研究团队结合表面张力测量和和频生成光谱技术，观察了透明质酸在界面的聚集过程和结构变化。研究发现，透明质酸在水-空气界面呈现出与体相中不同的构象和排列方式，并随着时间展现出特定的积聚动力学。这项工作对理解生物界面中透明质酸的行为具有重要意义，也为开发新型生物材料提供了基础知识。

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

在这篇发表于《物理化学与化学物理》(Physical Chemistry Chemical Physics)的论文中，教授与Van Dam、Gouzy等人研究了胶体水-油乳剂中水分子的重定向动力学。通过偏振分辨红外泵浦-探测光谱，他们测量了乳剂中水分子的旋转弛豫时间，并研究了表面活性剂和油相成分如何影响这一过程。研究结果表明，乳剂滴中的水分子动力学受到界面效应的强烈影响，与体相水表现出明显不同的行为。这项研究对食品、化妆品和药物输送系统等涉及乳剂的应用领域具有重要参考价值。

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

这篇发表在《物理化学与化学物理》(Physical Chemistry Chemical Physics)上的论文，教授与Cota、Tiwari等人合作，使用超快红外光谱和分子动力学模拟研究了苯酚盐离子周围水分子的水合结构和动力学。研究关注的重点是溶质分子对第一溶剂化壳层之外水分子的影响，这是传统研究中常被忽视的领域。结果表明，苯酚盐的影响可以延伸到第一溶剂化壳层之外，改变更远距离水分子的行为。这项研究深化了人们对离子水合过程的理解，为解释许多溶液中的化学和生物学过程提供了新的视角。

项目分析

1. 超快光谱研究水分子动力学项目

教授是非线性飞秒振动光谱技术的先驱之一，他"最早使用这项技术研究液态水的特性(Science 278, 658 (1997))"，开创了一个新领域，此后全球许多研究组都采用这种技术研究水和其他氢键系统的特性。 该项目主要通过发展和应用超快振动光谱技术研究水分子的氢键动力学和能量传递过程。项目研究了纯水、重水以及各种水溶液中的振动能量弛豫、分子重定向和氢键网络重组等过程，揭示了水在分子尺度上的独特行为。通过这个项目，教授团队首次发现水的OH伸缩振动弛豫时间随温度升高而增加的反常现象，这被认为是水的重要特性之一。项目还发现水分子之间存在极快的共振振动能量传递，这在水的能量耗散动力学中起着重要作用。

2. 界面水结构与动力学研究项目

这个项目专注于研究各种界面(水-空气、水-脂质、水-蛋白质等)处水分子的结构和动力学特性。教授团队开发和应用了表面和频生成光谱和二维表面振动光谱等先进技术，实现了对界面水分子的高灵敏度检测。项目发现界面水的氢键网络与体相水有显著不同，在水-空气界面，氢键交换动力学比体相水慢约三倍。这些研究对理解生物膜界面水的行为、电化学界面过程以及大气化学中的气-液界面反应具有重要意义。

3.生物分子水合与功能研究项目

教授及其团队利用线性和二维红外光谱研究了抗冻糖蛋白(AFGPs)的溶液结构，通过测量酰胺I和酰胺II振动之间的耦合，获得了比线性吸收光谱更清晰的结构信息，从而确定了这类蛋白质的不同结构元素。 这个项目研究生物分子（如蛋白质、糖类、核酸等）的水合过程及其与分子功能的关系。通过研究水分子如何与生物分子相互作用，项目揭示了水合结构对生物分子构象稳定性和功能活性的影响。例如，在研究抗冻蛋白时，发现蛋白质表面特定的水合模式对其与冰晶结合的能力至关重要。项目还研究了透明质酸等生物多糖的水合特性，发现钙离子可以通过改变水合结构来影响这些分子的链刚性和物理化学性质。

研究想法

1. 多维光谱技术的新发展与应用教授在二维红外光谱和表面和频生成光谱方面已有深厚积累，未来可以探索发展三维或更高维度的光谱技术，结合时间、频率、偏振和空间分辨等多个维度，获取更全面的分子动力学信息。例如，可以设计二维红外-太赫兹关联光谱实验，同时探测分子内振动和集体分子运动之间的耦合；或开发空间分辨的二维表面光谱技术，实现对不均匀界面的高精度表征。
2. 复杂体系中的水动力学研究将教授的水动力学研究扩展到更复杂的体系，如生物细胞内的拥挤环境、离子液体、深共熔溶剂或纳米限域体系中的水。这些环境下水的行为可能与体相水有本质区别，理解这些差异对许多生物学和材料科学问题具有重要意义。具体可以设计实验研究细胞质模拟环境中水的氢键动力学，或研究石墨烯纳米通道中单分子层水的振动能量传递特性。
3. 生物界面的水合动力学与功能调控在教授已有的生物分子水合研究基础上，可以更深入地探索水合结构与生物功能的关系，特别是水合动力学如何影响生物界面的功能。例如，研究膜蛋白周围水合层的动力学如何调节离子通道的选择性和通透性；或探究DNA-蛋白质相互作用界面的水合结构变化与基因调控的关系。
4. 界面水分子行为的精确理论模型构建结合教授的实验数据和先进的理论计算方法，构建更精确的界面水分子行为理论模型。例如，基于超快光谱数据开发机器学习模型，预测不同界面条件下水分子的排列和动力学特性；或结合分子动力学模拟和密度泛函理论，建立界面水氢键网络演化的多尺度模型。
5. 超快光谱在催化反应机制研究中的应用将教授开发的超快光谱技术应用于催化反应机制研究，特别是水参与的催化反应。例如，利用时间分辨二维红外光谱研究水氧化催化过程中的中间态结构和寿命；或探究光催化分解水产氢反应中质子转移步骤的微观机制。
6. 水-溶质相互作用的分子识别机制研究深入研究水分子与不同溶质间的相互作用模式，探索水介导的分子识别机制。例如，利用二维红外光谱和分子动力学模拟，研究药物分子与靶蛋白结合过程中水合结构的变化及其对结合亲和力的影响；或探究离子选择性传感器中水分子排列如何促进特定离子的识别。

申请建议

1. 学术背景准备

想要申请教授的博士生或博士后职位，申请者应具备扎实的物理化学基础，特别是在分子光谱学、统计热力学和量子力学方面。理想的背景包括物理学、化学物理、物理化学或相关交叉学科。建议申请者系统学习振动光谱的基本理论，包括红外光谱、拉曼光谱以及非线性光谱的原理。此外，了解分子动力学模拟的基本方法也会是一个优势。

2. 实验技能培养

教授的研究高度依赖于先进的实验技术，因此申请者应当积极培养以下实验技能：

• 超快激光系统的操作和维护经验
• 红外光谱技术，特别是时间分辨光谱
• 光学系统的设计和优化能力
• 信号处理和数据分析技能
• 光谱数据解释和理论模型构建能力
• 如果可能，参与超快光谱相关的科研项目或实习，获取直接的实验经验。

3. 研究计划准备

申请时，应精心准备一份研究计划，展示你对教授研究领域的深入理解以及你能带来的创新思路。研究计划应:

• 明确定位在教授的核心研究领域（如水动力学、界面水结构、生物分子水合等）
• 提出有创新性且可行的研究问题
• 结合最新文献和自己的见解
• 说明如何利用教授实验室的技术优势
• 阐述研究的潜在科学意义和应用价值

4. 论文阅读与理解

在申请前，务必深入阅读教授及其合作者近年发表的关键论文，特别关注:

• 《Vibrational Spectroscopy as a Probe of Structure and Dynamics in Liquid Water》(Chemical Reviews)这一综述性文章
• 近年来关于二维红外光谱和表面和频生成光谱的方法论文章
• 与你研究兴趣最相关的主题论文
• 通过阅读，理解研究问题的前沿、实验方法的优势与局限，以及现有理论解释的不足，从而找到可能的创新点。

5. 跨学科知识积累

教授的研究具有强烈的跨学科特性，因此申请者应当积极拓展相关领域的知识，如:

• 生物物理学，特别是生物分子与水的相互作用
• 界面科学和胶体科学的基本理论
• 计算化学和分子模拟方法
• 材料科学中与水相关的现象（如水合、吸附等）

博士背景

Felix，美国top10学院物理学系博士生，专注于量子计算和凝聚态物理的交叉研究。擅长运用量子场论和拓扑量子计算方法，探索拓扑绝缘体和超导体中的新奇量子态。在研究Majorana费米子在量子计算中的应用方面取得重要突破。曾获美国物理学会最佳学生论文奖，研究成果发表于《Nature Physics》和《Physical Review Letters》等顶级期刊。