自行設計研制科學出奇制勝

自行設計研制 科學出奇制勝——中科院科學儀器研制悄然潛行

中國儀器儀表問題系列報道（之七）

重大突破來自技術的創新
 
最近幾年，越來越多的中國科學家應邀在國際會議上作特邀報告或為專業核心刊物撰寫綜述文章。這樣的“殊遇”與“殊榮”雖然離諾貝爾獎還有某種程度的距離，但對于科學家而言，無疑已得到國際同行的高度認可和賞識。這種邀請本質上是對其研究工作的另一種形式的“獎勵”。因為只有在科學研究上取得重大進展的科學家，才有資格贏得這樣的機會。
 
中科院大化所研究員楊學明便是其中一位。截止目前，他 2004年、2005年先后2兩次應邀為《國際物理化學綜述》雜志(Int. Rev. Phys. Chem.)撰寫了綜述性文章。2007年，他再次應邀為《年度物理化學綜述》(Ann. Rev. Phys. Chem.)撰寫了相關的研究綜述論文。3年來，他在重要國際會議的邀請報告達12次之多，獲得了國際學術界的高度評價。由于楊學明研究員取得的系列性重要研究成果，他獲得了國際自由基會議的布洛伊達獎(Broida Prize)以及海外華人物理協會的亞洲成就獎(Achievement in Asia Award)，并于2006年底當選為美國物理學會會士 (APS Fellow)。
 
2006年，他領導的研究小組在國際上第一次成功地在 “量子態水平上觀測化學反應的共振態”，解決了國際上30余年懸而未決的一個重要科學問題。他們的結果發表在2006年的《科學》(Science 311, 1440(2006))上。2005年Wolf化學獎獲得者、美國斯坦福大學教授R. N. Zare應邀對他們的研究成果在同期刊物上發表了一篇背景介紹文章，對楊學明等人的研究成果作了詳細的介紹。最近他的研究小組又在同一課題上取得了一項重要進展，并且發表在美國的《化學物理雜志》的通訊欄目內，論文的審稿人認為，楊學明小組這項進一步的研究成果 “是在《科學》雜志發表的杰出研究工作的基礎上獲得的又一大進展，并給出了一個經典的反應共振教科書例子。”這一成果在2007年初，被兩院院士評為 “2006年中國十大科技進展新聞”之一。
 
據介紹，在量子態水平上觀測化學反應共振態是化學研究的一項重大挑戰。其中，氟加氫（F+H2）反應是迄今為止最為重要的兩個化學激光體系之一，也是化學反應動力學研究的一個重要的經典體系。 20世紀80代中，李遠哲等人對F+H2反應有關于反應共振的實驗研究，曾引起科學家們極大的興趣。但是，隨后的量子散射理論研究并沒有證實他們實驗中對反應共振現象的推論。新世紀到來，楊學明領導的實驗小組對其進行了全量子態的高精度實驗研究，觀測到了反應共振現象。在實驗基礎上，楊學明研究小組又通過與理論化學家張東輝等人合作，利用對反應體系的精確勢能面的計算和量子散射理論的計算，證明了F+H2反應共振現象是由兩個反應的共振態所引起的。由此他們解決了F+H2反應的共振態這一重要科學問題。
 
楊學明的研究小組何以能做出其他人不能或很難做出的研究成果？為什么他的研究小組能幸運地在量子態水平上觀測到物質反應的這種共振態呢？
 
走進中科院大連化物所，或許內行人會發現，國內只有楊學明的實驗室放置著中國唯一一臺氫原子里德伯態飛渡時間譜-交叉分子束裝置。這一儀器的研制在中國科學院儀器研制項目的支持下得以完成。
 
據悉，這樣的科學儀器在國際上只有在發達國家的少數幾個實驗室擁有，但與其他實驗室的同類儀器相比，楊學明研究小組的儀器更勝一籌。而整個儀器的關鍵部分——真空腔體和分子束反應器是由楊學明研究員親自完成設計的。他在設計過程中，解決多項技術難題，如兩個同時可以轉動的、又需要真空密封的部件設計，多個可同時轉動的探測器設計，以及具有大角度探測范圍探測器設計等等。他還在設計過程中充分考慮了需要解決的科學問題的特殊需求，并對這一裝置的設計進行了優化。精密而又有創意的設計使得這臺儀器在可靠性方面達到了很高的水平。除了主要部件的研制以外，楊學明還為這一儀器配置了尖端的真空設備，使得這臺儀器的碳氫化合物真空背景含量成為同類儀器中最低的，大大降低了探測背景；同時，他們還為這一裝置配置了先進的激光設備，并且充分利用了先進的非線性光學方法用于氫原子的探測。
 
在實驗過程中，楊學明小組的研究成員還積極對各個關鍵配件的研制進行了進一步的改進，如實驗室博士生任澤峰同學，為這臺儀器研發了雙級脈沖放電技術，大大地提高了氟原子束的密度、速度比和放電的穩定性，并使得關鍵的極低碰撞能下的反應動力學研究成為可能。
 
新的設計思路和精益求精的研制理念，使楊學明實驗室的這一儀器裝置不僅大大地提高了探測效率和分辨率，而且在其他許多方面也具有明顯優勢和獨到之處，使其各項指標均處于世界領先地位。這一儀器的研制成功以及所取得的成果代表著我國分子反應動力學研究在交叉分子束反應動力學研究方向走到了國際先進行列。正是利用這臺他們親手設計研制的儀器裝置，楊學明領導的研究小組成功地觀測到了F+H2反應的共振現象，使他們的研究走在了國際同行的前列。
 
儀器研制悄然無聲 成果發布同行覺悟
 
在中科院像楊學明這樣自己設計科學儀器并做出世界一流研究成果的人，可謂大有人在，近乎形成了一種新風尚。
 
楊學明所在的研究所——中科院大連化物所獲得“國際催化獎”的李燦院士，成功地研制了我國第一臺紫外激光拉曼光譜儀，且利用自己研制的先進儀器在國際上首次應用紫外激光拉曼光譜的方法從微觀結構層次上研究了催化劑的行為，并揭示了催化反應的機理，取得了國際矚目的科研成果。他本人也多次應邀為其專業刊物寫述評文章以及作重要國際會議的特邀報告。
 
如今，在中科院隨意進入一個研究機構，也許都能發現根據研究需要自己動手研制科學儀器的科學家。
 
如，中科院物理所，最近5年中就推出了4臺在國際上產生影響力的科學儀器。其中，“原位微區結構分析與性質測試聯合系統”，研究人員在高分辨透射電子顯微鏡中設計制造掃描隧道顯微鏡。透射電鏡為掃描探針導航，使兩者強大的結構表征功能和納米操縱功能結合，實現了對單個納米結構的物性測量并原位表征材料的微觀結構。據介紹，此設備的探針調節范圍在毫米量級，調節精度達到0.1納米，除了用來測量單個納米材料場發射性質和輸運性質外，還可測量其力學、機電性質，可開展多種納米材料物理/化學問題的研究。另外，該裝置還可根據科研發展的需要，隨時自行對設備進行改造，可滿足新的測量需求。這樣結構和功能，對于商業化設備來說很難實現。
 
物理所研制的超高真空低溫強磁場雙探針掃描隧道顯微鏡/ 譜系統，不僅能夠有控制地制備和生長納米尺度上的結構，而且還可以原位地表征納米結構的光學、電學和磁學性質，為開展自旋電子學和固態量子信息與量子計算等全新領域的研究，提供了強大的實驗手段，成為我國自主研發高精尖科學儀器的一個成功范。據悉，該裝置可將探頭和樣品座安裝在一個可方便拆卸的結構上，硬件上保證了可隨時換上其它種類的測量裝置進行特定性能的測試；另一方面，整個控制系統的軟硬件全部自己開發，為系統進一步改造和升級奠定了基礎。
 
不久前，在成功放電的中科院合肥的托卡馬克裝置上，等離子體所先后自主研制了HT-7的總堆系統、二維X射線陣列測量和遠紅外激光診斷系統等。
 
同樣，中科院力學所俞鴻儒院士主持的“爆轟驅動激波風洞”研制項目，應用自己提出的新的爆轟驅動原理，研制成功國際領先的風洞，在國際上引起重大的反響。
 
......
 
中科院類似的事例舉不勝舉，但這些科學儀器往往是在研究人員取得了重要科學成果之后，國際同行才發現其存在。
 
戰略部署更超前
 
全國人大常委會副委員長、中科院院長路甬祥指出：“如果沒有儀器設備的自主創新，也很難有新的理論上的突破。一種新儀器新裝備的誕生，往往是打開一個新方向新領域的關鍵橋梁。”
 
中科院在改革創新的過程中很早就認識到：科學儀器自主研制與創新是科技創新的基礎和重要組成部分，科學儀器僅僅靠購買、靠仿制將影響我國科學和技術的自主發展，將限制我國在科技領域和經濟領域綜合競爭實力。中科院知識創新工程起步不久，就對科學儀器的研制進行了部署。
 
據中科院計劃局介紹，2000年以來，中科院不斷加大科學儀器研制項目的投資力度，將原有的科學儀器研制改造項目進一步提升為科學儀器自主研制項目，使科學儀器從“被動研制”向以創新為目的的“主動研制”轉變。截止到2006年底，中科院科學儀器自主研制項目從最初的每年8項增長到每年40多項，累計總投入約3.7億元，平均項目支持強度超過200萬元，使中科院科研裝備進入了快速穩定的發展時期，基改變了知識創新工程實施前科研裝備陳舊落后的局面，一批重點建設的研究所縮小了與國際同類研究機構的裝備水平的差距。
 
如果追溯中國科學儀器發展的歷史，中科院研制儀器的工作起步很早。在國家“九五”和“十五”期間，國家支持的科學儀器攻關計劃中，中科院作為牽頭單位承擔的項目約占項目總數的1/3；國家自然科學基金委的科學儀器基礎研究專項支持的項目中，中科院承擔的項目約占30%左右。1993年，國家財政部在國家財政依然十分緊張的情況下，中科院就設立了儀器設備的專項資金，5年內支持中科院7億元人民幣的科學儀器更新經費。至2000年中科院設立的科學儀器專項資金，共支持研制和改造科研項目總數達400余項，支持經費總額約為1.5億元。
 
然而，“如果與發達國家同類研究相比，中科院科研裝備無論在投入規模上還是技術水平上都存在較大差距。全中科院研究機構包含大科學裝置在內，科研裝備總資產不及美國國家實驗室的一個大科學工程裝置的投入。美國橡樹嶺國家實驗室正在建設的散裂中子源，投資達14億美元，利佛莫爾國家實驗室正在進行的國家強激光裝置，耗資高達34.48億美元”。中科院計劃局一位負責人介紹。
 
“發達國家國立研究機構不僅僅在在單個技術手段上保持領先地位，依靠政府資金的強立支持，形成了能夠支撐學科綜合研究的大型儀器設備集群，且不斷更新發展，以確保其一直處于領先水平”。他補充說。
 
他介紹，為了更上一層樓，中科院在完成一、二期創新目標之后，在第三期創新目標中，將實現科研裝備建設“從一般改善轉向重點加強，從自身完善轉向共建共享，從單純購置為主轉向自主研發與購置集成并舉”的轉變，全面提高科研裝備的使用效率。在“十一五”期間，中科院繼續鼓勵并支持科研人員根據科技創新活動需求設計和制造專用實驗設備或裝置，解決原始性創新活動中的關鍵技術瓶頸問題。