光明日报:中国有了最先进的“原子分子摄像机”

2017/01/19 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

   

“大连光源”局部。中科院大连化物所提供

在解释“大连光源”是什么之前,先讲一个科学史上的小故事。

19世纪末,有人提出了一个有趣的问题:马在奔跑时有没有四蹄同时离地的瞬间?一时间,大家莫衷一是——因为仅靠人眼观察,实在无法判断。直到有人设计出一套连续拍照的装置,将马连续奔跑的过程“分解”为一帧帧照片,才得出了结论。

要研究物质是如何变化、运动的,最好的方式就是将过程“记录”下来,能够让人们清楚地“看到”。今天,人类对客观世界的研究已经深入到分子、原子层次,在这个微观层面,需要探测的原子或分子数量可能非常少、存在时间也非常短,变化往往就发生在飞秒(10-15秒)、皮秒(10-12秒)之间。因此,要想知道物质在这个微观层面是如何变化的,就需要更先进的“摄影机”。

中国科学院大连化学物理研究所(以下简称“大化所”)和中国科学院上海应用物理研究所(以下简称“上海应物所”)的科学家们研发了“原子分子摄像机”——极紫外自由电子激光装置。

1月15日,极紫外自由电子激光装置——“大连光源”,发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲,单个皮秒(10-12秒)激光脉冲产生140万亿个光子(1.4×1014光子/脉冲),这是世界上最亮的、波长完全可调的,也是唯一运行的极紫外自由电子激光装置。

据悉,“大连光源”是由国家自然科学基金委员会支持,大化所上海应物所联合研制的。中国科学院副院长王恩哥院士表示,“大连光源”为我国乃至世界提供了一个独特的科学研究装置,同时也为我国未来发展更高能量的X射线波段自由电子激光打下了坚实基础。

大化所副所长杨学明院士介绍,自由电子激光是国际上最先进的新一代先进光源,是当今世界先进国家竞相发展的重要方向,在科学研究、先进技术、国防科技发展中有着重要的应用前景。而极紫外波段是在分子、原子层次,研究物质的物理、化学变化的重要手段之一,有着其他研究方式不可比拟的优势。

此前极紫外波段的自由电子激光装置,多为研究自由电子激光本身,还没有被用于其他科学领域。上海应物所所长赵振堂说,“大连光源”是世界第一台运行在极紫外波段的大型自由电子激光科学研究用户装置,环境、材料、生命科学等领域的科学家能够利用这台“仪器化的装置”揭示分子动力学过程,进一步解释自然奥秘。

大化所研究员张未卿也表示,极紫外光是研究化学反应动力学最好的手段之一。“极紫外光具有能够电离几乎所有的组成普通物质的原子和分子的特性,因此能够极其灵敏地探测化学反应过程中存在时间很短、非常稀少的,但是却非常重要的中间体物种。在这样的极紫外光下,几乎所有的原子和分子都无所遁形,因此是研究与原子分子过程相关的物理和化学问题的强有力的工具之一。”

赵振堂总结说,与“合肥光源”“上海光源”等同步辐射光源相比,“大连光源”的光子能量并不是最高的,但对研究分子、原子化学反应动力学来说却是最合适的——“大连光源”有最亮的“闪光灯”,其峰值功率的亮度比太阳光高百亿倍;“大连光源”有最快的“快门”,出光长度能达到飞秒、皮秒。赵振堂说:“如果说第三代同步辐射光源能给分子原子‘拍照片’,那“大连光源”就是一部‘摄像机’,能给分子原子‘拍电影’,将其物理化学反应的全过程动态记录下来。”

正如大化所副所长杨学明所说:“‘大连光源’的建成只是第一步。之后的关键在于‘用’,要建成高水平、稳定的应用平台。”

这台分子原子的“摄像机”在化学、能源、物理、生物、环境等研究领域有着广泛应用,作为世界上唯一运行的极紫外波段的自由电子激光装置,“大连光源”对于推动我国乃至世界在相关领域的研究有着极其重要的作用。

燃烧的过程究竟是什么样的——这对能源的开发和利用至关重要;能否在更小尺寸实现半导体光刻作用——这是信息技术发展的关键一环;气溶胶是如何成核的——这能够让我们从根本上理解大气雾霾的形成和生长机理。

杨学明表示,目前“大连光源”正在调试过程中,预计2017年春节后就可以进行科学实验,“如果一切顺利,项目将在2017年年底进行验收”。

【短评】用原创性仪器做出更多原创性成果

“大连光源”是典型的以科学目标为牵引的大科学装置,是为了满足科学家研究需求而研发的特异性的科学仪器,其90%以上的部件均由我国科学家自主研发。

从国际科学发展趋势来看,科学仪器对基础研究的发展起到越来越重要的推动作用,而原创性科研成果对自主研发科学仪器的依赖度更高——原创性思想无先例可循,通用型仪器往往无法达到实验要求,科学家只能自己设计、研发相关仪器设备进行研究。道理显而易见:跟在别人后面走,即便做得再好,也只能跟踪、模仿,做补充研究。

今天,中国科学已经走到由跟踪到引领的关口,期待涌现更多原创性科研成果,也就需要中国科学家研发更多的“按需定制”的科研仪器。大连光源已经做出很好的范例,希望它能在更大范围内起到带动示范作用,助力中国科学走向巅峰。(原载于《光明日报》 2017-01-16 06版)

 

  

  

  

  

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