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中国仪器仪表问题系列报道(之五)

话题调查中国仪表网2007年04月28日 08:29人气:541

重大突破来自技术的创新

最近几年,越来越多的中国科学家应邀在国际会议上作特邀报告或为专业核心刊物撰写综述文章。这样的“殊遇”与“殊荣”虽然离诺贝尔奖还有某种程度的距离,但对于科学家而言,无疑已得到国际同行的高度认可和赏识。这种邀请本质上是对其研究工作的另一种形式的“奖励”。因为只有在科学研究上取得重大进展的科学家,才有资格赢得这样的机会。

中科院大化所研究员杨学明便是其中一位。截止目前,他2004年、2005年先后2两次应邀为《国际物理化学综述》杂志(Int. Rev. Phys. Chem.)撰写了综述性文章。2007年,他再次应邀为《年度物理化学综述》(Ann. Rev. Phys. Chem.)撰写了相关的研究综述论文。3年来,他在重要国际会议的邀请报告达12次之多,获得了国际学术界的高度评价。由于杨学明研究员取得的系列性重要研究成果,他获得了国际自由基会议的布洛伊达奖(Broida Prize)以及海外华人物理协会的亚洲成就奖(Achievement in Asia Award),并于2006年底当选为美国物理学会会士 (APS Fellow)。

2006年,他领导的研究小组在国际上第一次成功地在“量子态水平上观测化学反应的共振态”,解决了国际上30余年悬而未决的一个重要科学问题。他们的结果发表在2006年的《科学》(Science 311, 1440(2006))上。2005年Wolf化学奖获得者、美国斯坦福大学教授R. N. Zare应邀对他们的研究成果在同期刊物上发表了一篇背景介绍文章,对杨学明等人的研究成果作了详细的介绍。 最近他的研究小组又在同一课题上取得了一项重要进展,并且发表在美国的《化学物理杂志》的通讯栏目内,论文的审稿人认为,杨学明小组这项进一步的研究成果“是在《科学》杂志发表的杰出研究工作的基础上获得的又一大进展,并给出了一个经典的反应共振教科书例子。”这一成果在2007年初,被两院院士评为“2006年中国十大科技进展新闻”之一。

据介绍,在量子态水平上观测化学反应共振态是化学研究的一项重大挑战。其中,氟加氢(F H2)反应是迄今为止最为重要的两个化学激光体系之一,也是化学反应动力学研究的一个重要的经典体系。 20世纪80代中,李远哲等人对F H2反应有关于反应共振的实验研究,曾引起科学家们极大的兴趣。但是,随后的量子散射理论研究并没有证实他们实验中对反应共振现象的推论。新世纪到来,杨学明领导的实验小组对其进行了全量子态的高精度实验研究,观测到了反应共振现象。在实验基础上,杨学明研究小组又通过与理论化学家张东辉等人合作,利用对反应体系的精确势能面的计算和量子散射理论的计算,证明了F H2反应共振现象是由两个反应的共振态所引起的。由此他们解决了F H2反应的共振态这一重要科学问题。

杨学明的研究小组何以能做出其他人不能或很难做出的研究成果?为什么他的研究小组能幸运地在量子态水平上观测到物质反应的这种共振态呢?

走进中科院大连化物所,或许内行人会发现,国内只有杨学明的实验室放置着中国唯一一台氢原子里德伯态飞渡时间谱-交叉分子束装置。这一仪器的研制在中国科学院仪器研制项目的支持下得以完成。

据悉,这样的科学仪器在国际上只有在发达国家的少数几个实验室拥有,但与其他实验室的同类仪器相比,杨学明研究小组的仪器更胜一筹。而整个仪器的关键部分——真空腔体和分子束反应器是由杨学明研究员亲自完成设计的。他在设计过程中,解决多项技术难题,如两个同时可以转动的、又需要真空密封的部件设计,多个可同时转动的探测器设计,以及具有大角度探测范围探测器设计等等。他还在设计过程中充分考虑了需要解决的科学问题的特殊需求,并对这一装置的设计进行了优化。精密而又有创意的设计使得这台仪器在可靠性方面达到了很高的水平。除了主要部件的研制以外,杨学明还为这一仪器配置了尖端的真空设备,使得这台仪器的碳氢化合物真空背景含量成为同类仪器中最低的,大大降低了探测背景;同时,他们还为这一装置配置了先进的激光设备,并且充分利用了先进的非线性光学方法用于氢原子的探测。

在实验过程中,杨学明小组的研究成员还积极对各个关键配件的研制进行了进一步的改进,如实验室博士生任泽峰同学,为这台仪器研发了双级脉冲放电技术,大大地提高了氟原子束的密度、速度比和放电的稳定性,并使得关键的极低碰撞能下的反应动力学研究成为可能。

新的设计思路和精益求精的研制理念,使杨学明实验室的这一仪器装置不仅大大地提高了探测效率和分辨率,而且在其他许多方面也具有明显优势和独到之处,使其各项指标均处于世界领先地位。这一仪器的研制成功以及所取得的成果代表着我国分子反应动力学研究在交叉分子束反应动力学研究方向走到了国际先进行列。正是利用这台他们亲手设计研制的仪器装置,杨学明领导的研究小组成功地观测到了F H2反应的共振现象,使他们的研究走在了国际同行的前列。

仪器研制悄然无声 成果发布同行觉悟

在中科院像杨学明这样自己设计科学仪器并做出世界一流研究成果的人,可谓大有人在,近乎形成了一种新风尚。

杨学明所在的研究所——中科院大连化物所获得“国际催化奖”的李灿院士,成功地研制了我国第一台紫外激光拉曼光谱仪,且利用自己研制的先进仪器在国际上首次应用紫外激光拉曼光谱的方法从微观结构层次上研究了催化剂的行为,并揭示了催化反应的机理,取得了国际瞩目的科研成果。他本人也多次应邀为其专业刊物写述评文章以及作重要国际会议的特邀报告。

如今,在中科院随意进入一个研究机构,也许都能发现根据研究需要自己动手研制科学仪器的科学家。

如,中科院物理所,最近5年中就推出了4台在国际上产生影响力的科学仪器。其中,“原位微区结构分析与性质测试联合系统”,研究人员在高分辨透射电子显微镜中设计制造扫描隧道显微镜。透射电镜为扫描探针导航,使两者强大的结构表征功能和纳米操纵功能结合,实现了对单个纳米结构的物性测量并原位表征材料的微观结构。据介绍,此设备的探针调节范围在毫米量级,调节精度达到0.1纳米,除了用来测量单个纳米材料场发射性质和输运性质外,还可测量其力学、机电性质,可开展多种纳米材料物理/化学问题的研究。另外,该装置还可根据科研发展的需要,随时自行对设备进行改造,可满足新的测量需求。这样结构和功能,对于商业化设备来说很难实现。

物理所研制的超高真空低温强磁场双探针扫描隧道显微镜/谱系统,不仅能够有控制地制备和生长纳米尺度上的结构,而且还可以原位地表征纳米结构的光学、电学和磁学性质,为开展自旋电子学和固态量子信息与量子计算等全新领域的研究,提供了强大的实验手段,成为我国自主研发高精尖科学仪器的一个成功范。据悉,该装置可将探头和样品座安装在一个可方便拆卸的结构上,硬件上保证了可随时换上其它种类的测量装置进行特定性能的测试;另一方面,整个控制系统的软硬件全部自己开发,为系统进一步改造和升级奠定了基础。

不久前,在成功放电的中科院合肥的托卡马克装置上,等离子体所先后自主研制了HT-7的总堆系统、二维X射线阵列测量和远红外激光诊断系统等。

同样,中科院力学所俞鸿儒院士主持的“爆轰驱动激波风洞”研制项目,应用自己提出的新的爆轰驱动原理,研制成功国际领先的风洞,在国际上引起重大的反响。

......

中科院类似的事例举不胜举,但这些科学仪器往往是在研究人员取得了重要科学成果之后,国际同行才发现其存在。

战略部署更超前

全国人大常委会副委员长、中科院院长路甬祥指出:“如果没有仪器设备的自主创新,也很难有新的理论上的突破。一种新仪器新装备的诞生,往往是打开一个新方向新领域的关键桥梁。”

中科院在改革创新的过程中很早就认识到:科学仪器自主研制与创新是科技创新的基础和重要组成部分,科学仪器仅仅靠购买、靠仿制将影响我国科学和技术的自主发展,将限制我国在科技领域和经济领域综合竞争实力。中科院知识创新工程起步不久,就对科学仪器的研制进行了部署。

据中科院计划局介绍,2000年以来,中科院不断加大科学仪器研制项目的投资力度,将原有的科学仪器研制改造项目进一步提升为科学仪器自主研制项目,使科学仪器从“被动研制”向以创新为目的的“主动研制”转变。截止到2006年底,中科院科学仪器自主研制项目从最初的每年8项增长到每年40多项,累计总投入约3.7亿元,平均项目支持强度超过200万元,使中科院科研装备进入了快速稳定的发展时期,基改变了知识创新工程实施前科研装备陈旧落后的局面,一批重点建设的研究所缩小了与国际同类研究机构的装备水平的差距。

如果追溯中国科学仪器发展的历史,中科院研制仪器的工作起步很早。在国家“九五”和“十五”期间,国家支持的科学仪器攻关计划中,中科院作为牵头单位承担的项目约占项目总数的1/3;国家自然科学基金委的科学仪器基础研究专项支持的项目中,中科院承担的项目约占30%左右。1993年,国家财政部在国家财政依然十分紧张的情况下,中科院就设立了仪器设备的专项资金,5年内支持中科院7亿元人民币的科学仪器更新经费。至2000年中科院设立的科学仪器专项资金,共支持研制和改造科研项目总数达400余项,支持经费总额约为1.5亿元。

然而,“如果与发达国家同类研究相比,中科院科研装备无论在投入规模上还是技术水平上都存在较大差距。全中科院研究机构包含大科学装置在内,科研装备总资产不及美国国家实验室的一个大科学工程装置的投入。美国橡树岭国家实验室正在建设的散裂中子源,投资达14亿美元,利佛莫尔国家实验室正在进行的国家强激光装置,耗资高达34.48亿美元”。中科院计划局一位负责人介绍。

“发达国家国立研究机构不仅仅在在单个技术手段上保持领先地位,依靠政府资金的强立支持,形成了能够支撑学科综合研究的大型仪器设备集群,且不断更新发展,以确保其一直处于领先水平”。他补充说。

他介绍,为了更上一层楼,中科院在完成一、二期创新目标之后,在第三期创新目标中,将实现科研装备建设“从一般改善转向重点加强,从自身完善转向共建共享,从单纯购置为主转向自主研发与购置集成并举”的转变,全面提高科研装备的使用效率。在“十一五”期间,中科院继续鼓励并支持科研人员根据科技创新活动需求设计和制造专用实验设备或装置,解决原始性创新活动中的关键技术瓶颈问题。
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