聚焦極端環(huán)境 洞悉材料特性

李剛

微觀世界隱藏著另一個宇宙，令人神往。

光學(xué)顯微鏡可以觀察到肉眼看不到的生物細(xì)胞。電子顯微鏡的發(fā)明，讓人們進一步看到了細(xì)胞內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的進步，第一臺掃描隧道顯微鏡（STM）問世，標(biāo)志著人類進入了可以在真實空間中直接觀測原子和操縱原子的時代，從此打開了另一扇科學(xué)研究之門。

幾十年間，科學(xué)家們不斷地在這個領(lǐng)域開拓進取，為掃描隧道顯微鏡成熟化、多樣化、分工化、專業(yè)化的發(fā)展添磚加瓦。時至今日，人們可以憑借掃描探針顯微技術(shù)，對凝聚態(tài)物理學(xué)、物理電子學(xué)、生物學(xué)、電化學(xué)乃至航空學(xué)等多種學(xué)科中的微觀世界進行觀測、檢測和操控。

各種極端條件掃描探針顯微鏡研制一直都是科學(xué)家們研究的重點。在極端條件如超高真空、低溫和強磁場等環(huán)境下，很多材料表現(xiàn)出了一些非常奇異的物理性質(zhì)，如超導(dǎo)、量子霍爾效應(yīng)和量子相變等。因此，搭建一臺能夠在極端條件下工作的掃描探針顯微鏡成為世界上很多科研人的目標(biāo)。因為在強磁場下有太多新奇的物理現(xiàn)象可以用掃描探針顯微鏡來表征，多年來中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場中心研究員陸輕鈾就一直在這一方向上攻關(guān)不輟，并與團隊成員們做出了許多世界領(lǐng)先的科研成果。

科研傳承：走進物理世界

物理之美在于其普適萬物。作為一門以科學(xué)實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，它通過不同的物理現(xiàn)象，總結(jié)實驗規(guī)律、發(fā)現(xiàn)科學(xué)奧秘，誕生了一系列具有普世意義的科學(xué)研究成果。

生活在科學(xué)世家的陸輕鈾，父親和母親從高校畢業(yè)后，都選擇踏入科學(xué)研究領(lǐng)域，幾十年來，一直在物理、化學(xué)等研究領(lǐng)域中深耕不輟。在家里濃厚的科研氛圍熏陶下，陸輕鈾和妹妹陸輕銥也雙雙踏上了科研之路，在力求做出更多科研成果的道路上腳踏實地前行著。

陸輕鈾長期在國外求學(xué)，西方教育對他的科研思想產(chǎn)生了深刻影響。從本科到博士，他一直就讀于美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，并分別于1994年、2000年獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位及凝聚態(tài)物理博士學(xué)位。在陸輕鈾的介紹下，記者了解到：美國更注重多學(xué)科的學(xué)習(xí)及研究視野的擴展，在這里，他培養(yǎng)了自己自主搭建實驗設(shè)備的能力，建立了更為寬廣的科研視野，打下了扎實的科研根基，使他的科研能力得到了極大的提升。在美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校就讀期間，他還用磁力顯微鏡（MFM）拍到首個磁疇相競爭電影，在相關(guān)研究領(lǐng)域取得了一系列有意義的科研進展。

一直以來，美國的科技公司在世界上處于領(lǐng)先地位，技術(shù)管理等方面十分先進。在還是一名學(xué)生的時候，陸輕鈾就對自己的人生做出了規(guī)劃：他希望在獲得博士學(xué)位之后能前往美國的科技公司工作5年時間，了解一下美國的高科技公司是怎樣運作管理的，技術(shù)是怎樣發(fā)展起來的，怎樣將其進行產(chǎn)業(yè)化，進而提高產(chǎn)品的經(jīng)濟效益，之后再回國從事科研與成果轉(zhuǎn)化工作。

2000年，陸輕鈾開始在美國Cypress半導(dǎo)體公司任技術(shù)主管，是公司僅有的兩個持O-1杰出人才簽證的人之一。在公司“work hard and play hard”（拼命工作，拼命娛樂）的科研宗旨影響下，陸輕鈾和研究團隊成員們在工作中從未有過一刻松懈。在他看來，特別是對于頂尖科研技術(shù)的開發(fā)及科研產(chǎn)品的研制，毫秒間，世界上就會誕生很多領(lǐng)先于自己的科學(xué)研究成果。因此，從事科學(xué)研究要有一種憂患意識和時刻努力、不斷創(chuàng)新的自覺。在美國Cypress半導(dǎo)體公司工作期間，陸輕鈾主要從事超大規(guī)模集成電路工藝的研制，并于2004年成為當(dāng)時最先進的90納米項目負(fù)責(zé)人。在他的領(lǐng)導(dǎo)下，研究團隊通過不斷攻關(guān)，研制成功了國際首個72兆比特QDR-SRAM芯片產(chǎn)品，在領(lǐng)域內(nèi)引起了很大的反響。

回國扎根：開展科研探索

科研立足國之所需，是陸輕鈾一直以來的研究初衷?！霸缭趪庾x書的時候，我就決定了一定要回國，這點是毫無疑問的?！标戄p鈾說。在他的眼中，將科學(xué)研究的果實播種在祖國的大地上，才是最有意義的。

結(jié)束了國外多年的科學(xué)研究旅程，陸輕鈾拒絕了公司以豐厚的報酬向他發(fā)出的更高職位邀請，毅然決然回國，于2005年來到中國科技大學(xué)微尺度國家研究中心擔(dān)任教授。來到這一平臺之后，他結(jié)合之前的研究基礎(chǔ)，將研究集中在各種極端條件（氦3與稀釋制冷機極低溫）、惡劣條件（水冷磁體與混合磁體超強磁場）掃描隧道顯微鏡、磁力顯微鏡、原子力顯微鏡（AFM）的自主研制上，并應(yīng)用于凝聚態(tài)物理、納米材料以及活性溶液中的生物分子與化學(xué)過程等多學(xué)科成像研究，做出了一系列創(chuàng)新性科研成果。

追根溯源，事實上，早在20世紀(jì)80年代初期，IBM公司蘇黎世實驗室的G· Binning和H·Rohrer就發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（STM），它的分辨率達到0.1納米。STM的誕生，使人類第一次在真實空間中觀測到了單個原子，并能夠在超高真空超低溫的條件下操縱原子。在掃描隧道顯微鏡基礎(chǔ)上，研究人員又發(fā)展出了原子力顯微鏡、磁力顯微鏡、近場光學(xué)顯微鏡等，這些顯微鏡都統(tǒng)稱掃描探針顯微鏡。因為它們都是靠一根極尖銳針尖在被研究物質(zhì)的表面上方掃描，檢測采集針尖和樣品間的不同作用量，以此得到樣品表面的高空間分辨的形貌圖像和有關(guān)的電、光與化學(xué)特性。如：掃描隧道顯微鏡檢測的是隧道電流，原子力顯微鏡測試的是原子間相互作用力等。

“但它們都有短板：特別怕振，我們希望能夠做出一個性能更好的顯微鏡，力爭在各種惡劣條件下依然能夠得到原子級靈敏、精準(zhǔn)的測量。”陸輕鈾說。極低溫、極高磁場中存在各種各樣的氦循環(huán)或水循環(huán)，因此就導(dǎo)致了它的整個環(huán)境振動十分嚴(yán)重，但掃描隧道顯微鏡對振動和聲音等哪怕很微弱的干擾都很敏感，所以對隔音、減振裝置提出了很高的要求，以保證“準(zhǔn)靜態(tài)”的成像環(huán)境?！霸谶@種情況下，就要想盡辦法讓我們研制的顯微鏡能夠更加抗振，即使在極度惡劣的條件下依然能夠觀測到高清原子分辨率圖像，這樣才能夠形成我們特有的技術(shù)優(yōu)勢?！彼f。

在陸輕鈾的介紹下，記者了解到：馬達是顯微鏡的核心部件之一，要想將探針?biāo)椭撂结樤优c樣品原子之間發(fā)生電子云交疊的地方，但針與樣品的原子核之間還不能相互觸碰（否則針尖原子與樣品原子皆損毀），馬達就起到了十分關(guān)鍵的作用。在此之前，他們曾研制了“蜘蛛馬達”“壁虎馬達”“金槍魚馬達”等多種新原理的壓電馬達，每種都有自己的獨特抗振優(yōu)勢。在不斷的研究開拓下，如今的這些壓電馬達不僅形體很小，且推力大，緊湊性很強，抗振效果極佳。這些都為抗振顯微鏡的研制提供了優(yōu)越的條件。

通常，科學(xué)家如果想要得到很強的磁場環(huán)境，會選擇將超導(dǎo)材料做成線圈，然后浸泡在液氦里，材料就會處于零電阻的超導(dǎo)態(tài)。在這一狀態(tài)下，其就會通過大電流產(chǎn)生強磁場且不會發(fā)熱，但這種超導(dǎo)體磁場存在一個重要弊端，即磁場不夠強，一般到20特斯拉或稍高一點就會失超，不能再增加。

在這種情況下，科學(xué)家一般會選擇將銅這類材料做成剛性很強的線圈，從而得到30特斯拉以上的超強磁場，但是這種銅制線圈需要通以特別大的電流才能產(chǎn)生超強磁場。這種線圈不像超導(dǎo)材料是零電阻，它會產(chǎn)生巨大熱量，因此要使用很強的高壓水流對其進行冷卻，而這又會帶來巨大的振動，在這種惡劣條件下，全世界沒有人能將任何具有原子分辨率的顯微鏡放進去進行觀測。

陸輕鈾團隊長期以來一直致力于強振動、氣-液反應(yīng)環(huán)境等惡劣條件原子分辨率成像，并最終實現(xiàn)了“水冷強磁體超惡劣條件”和“反應(yīng)溶液惡劣條件”中的高清晰原子分辨率成像。通過多年的攻關(guān)，他們已經(jīng)自主研制成功國際首個水冷磁體超強磁場原子分辨STM，并在創(chuàng)紀(jì)錄的27T超強磁場下得到原子分辨圖像。在此基礎(chǔ)上，他們還自主研制成功了國際首個混合磁體超強磁場原子分辨STM，并在創(chuàng)紀(jì)錄的30T以上超強磁場下得到原子分辨圖像。相關(guān)研究處于世界領(lǐng)先地位。

除此之外，陸輕鈾團隊還將原子分辨率STM放在一些具有活性或者化學(xué)反應(yīng)的溶液中，去觀察在這種狀態(tài)下的原子分辨率圖像，并突破了之前的研究瓶頸，得到了清晰且穩(wěn)定的原子分辨率圖像，并發(fā)表了相關(guān)文章。

在商業(yè)上，現(xiàn)有的低溫強磁場掃描隧道顯微鏡設(shè)備多是基于振動和聲音干擾都很弱的濕式（液氦浸泡式）超導(dǎo)磁體來搭建的，其弊端也逐漸顯現(xiàn)：設(shè)備高度依賴液氦的供給，而液氦的供應(yīng)日趨緊張，運行費用不斷增加，甚至遠(yuǎn)超磁體本身的費用;此外，重要樣品的掃描隧道顯微鏡譜圖往往需要數(shù)天乃至數(shù)周的連續(xù)穩(wěn)定測量，而濕式超導(dǎo)體通常很難一次性維持如此之久。目前的趨勢是由依賴液氦降溫的濕式超導(dǎo)磁體逐漸轉(zhuǎn)向利用氦循環(huán)制冷機（無需補充液氦或氦氣的封閉系統(tǒng)）降溫的干式超導(dǎo)磁體，并且已經(jīng)在很多測試手段（輸運測試、核磁共振、樣品生長等）中取得應(yīng)用，但在掃描隧道顯微鏡應(yīng)用領(lǐng)域還屬空白，其主要是因為干式超導(dǎo)磁體工作時會產(chǎn)生超強振動和聲學(xué)噪聲。

在這一背景下，陸輕鈾課題組通過不斷攻關(guān)，又研制成功了國際首個適用于干式超導(dǎo)磁體的插桿式原子分辨掃描隧道顯微鏡。相關(guān)研究成果發(fā)表在顯微鏡領(lǐng)域頂級期刊Ultramicroscopy上。在此之后，他們通過建立“合肥中科微力科技有限公司（www.CASmF.com）”這一平臺，與英國著名的牛津儀器公司簽署了長期協(xié)議，努力推進市場化進程。目前，已經(jīng)有多套產(chǎn)品通過了客戶的驗收，且運營效果良好。

陸輕鈾團隊的科研探索之路從未止歇。2017年，陸輕鈾開始擔(dān)任國家重點研發(fā)計劃“基于加速器光源的高通量物性與結(jié)構(gòu)原位表征”首席科學(xué)家。在這一項目中，他們將掃描探針顯微技術(shù)與同步輻射加速器先進光源以及強磁場結(jié)合起來，將光學(xué)顯微鏡的分辨率從微米級提高到納米級，并使其能夠在低溫強磁場環(huán)境下對材料進行調(diào)控與磁疇結(jié)構(gòu)觀測。目前這類研究在世界上還未有先例，成果誕生之后，或?qū)?chuàng)造出世界領(lǐng)先的科研成果?，F(xiàn)如今，這一項目正在穩(wěn)步進行中。

展望未來：創(chuàng)新篤行不輟

創(chuàng)新是科學(xué)家的使命。在陸輕鈾看來，創(chuàng)新是一種習(xí)慣，任何事情都要想著自己獨立去做，而不是去買，將此作為自己的研究潛意識，不斷提升自己的研究方法與水平，通過不斷創(chuàng)新探索，就會有更多自主創(chuàng)新的科研成果產(chǎn)生。

一直以來，陸輕鈾團隊一直在做國際領(lǐng)先的儀器。在他看來，商業(yè)儀器是批量生產(chǎn)的，創(chuàng)造性的科研想法很難融入其中，也不能確保每個元器件的精良。但是自己研發(fā)的設(shè)備，每一個元件都可以進行精挑細(xì)選，一些巧妙的想法都可以及時在其中得到實現(xiàn)。

在科研創(chuàng)新的道路上篤行多年來，陸輕鈾獲授權(quán)30余項國家發(fā)明專利;以第一或通訊作者發(fā)表論文于Science、Nature Materials、Nature Communications、 Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、eLife等高影響刊物。在優(yōu)異的科研成果基礎(chǔ)上，陸輕鈾還于2005年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，2010年入選中國科學(xué)院關(guān)鍵技術(shù)人才，2015年入選南京321領(lǐng)軍科技創(chuàng)業(yè)人才;2018年起任美國著名科學(xué)儀器期刊Review of Scientific Instruments副主編;2017年榮獲中國科學(xué)院杰出科技成就獎，2019年榮獲安徽省科學(xué)技術(shù)獎特等獎（首屆），2020年榮獲安徽省政府津貼等。這一切都是對他多年來創(chuàng)新篤行的肯定與鼓舞。

育人為學(xué)，兢兢業(yè)業(yè)。作為新時期科研學(xué)子的領(lǐng)路人，陸輕鈾也希望自己的學(xué)生們能夠在科研興趣的驅(qū)使下，在研究領(lǐng)域不斷深入下去。他相信，只要新一代的科研學(xué)子們能夠?qū)⒖蒲屑夹g(shù)打磨得更加扎實，在任何領(lǐng)域都會發(fā)光發(fā)熱。

踏實科研，無問西東。對于未來的科學(xué)發(fā)展規(guī)劃，陸輕鈾還將一邊從事在極端條件下工作的掃描探針顯微鏡的研發(fā)工作，一邊尋求更多的高校與企業(yè)間的產(chǎn)學(xué)研合作，以此來發(fā)現(xiàn)一些更先進的儀器原理。面對未來科研領(lǐng)域的更多可能，他堅信在各種極端條件下掃描探針顯微鏡的研發(fā)中，他與研究團隊一定會做出更多領(lǐng)先世界的科研成果，在這一領(lǐng)域踏出屬于中國科研人擲地有聲的腳步。