上海光源: 探索微观世界的明灯

2022-03-17 03:45
飞碟探索 2022年5期
关键词:光源上海科学

你知道巧克力为什么好吃吗?这是因为巧克力中的可可油拥有6 种不同的晶体,而好吃的那种巧克力的晶体结构非常独特。那么, 怎样才能探测巧克力的晶体结构呢,这就需要用到同步光源。而上海光源正是提供这种同步光源的大型光学实验室。

从亿年前的琥珀古鸟羽毛结构,到埃博拉病毒入侵机制、新冠病毒蛋白质结构,再到外尔费米子世界重大物理实验发现,上海光源为科学家探索微观世界照亮了前行之路。

一座银灰色建筑坐落在上海张江,占地20多万平方米,外观犹如一只巨型鹦鹉螺,宏伟壮观,未来感十足,这里就是上海光源。

1993年,正值我国拟订“九五”计划之时,方守贤、丁大钊、冼鼎昌三位院士根据国际上的发展趋势和我国科学研究的需求,提出了“在中国建立一台第三代同步辐射光源”的建议。当时的科学界均对于“造光”这件事万分期待。经过10多年的前期设计和预制研究,上海光源于2004年12月25日破土动工,2009年5月6日正式开放运行。

作为国之重器,大科学装置耗资不菲,而且难以在短时间内看到实际经济效益。那么,我国究竟为什么要投入巨大的财力、物力,去兴建这样一座巨大的光学工程呢?

上海光源“不见光”

从字面上看,“上海光源”似乎是一个与照明有关的工程,其实这一理解与它的实际意义南辕北辙。这里需要搬出“上海光源”的学名——上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility,简写为SSRF)来说一说。

电磁场理论早就预言:在真空中以接近光速运动的具有相对论效应的带电粒子,在二极磁场作用下偏转时,会沿着偏转轨道的切线方向,发射连续谱的电磁波。1947年,人类在同步加速器上首次观测到了这种电磁波,所以将其命名为“同步辐射”“同步辐射光”,并称产生和利用同步辐射光的装置为“同步辐射装置”“同步辐射光源”。

由此可见,上海光源并非用来制造我们肉眼可见的光,而是制造不同波长的电磁波:从远红外线到硬X射线(X射线中波长较短的一种)。与可见光相比,这些看不见的光波长更短、能量更高,“照射”到样品上时,会产生衍射、散射、折射、透射、吸收等现象,从而带来超强的微观洞察力。科学家正是借助这些现象,利用同步辐射光来探索未知世界。也因其一系列独特而优异的性能,同步辐射光被科学家称为继电光源、X 光源、激光光源之后,第4次为人类文明带来革命性推动的新光源。

同步辐射光源根据加速器中电子的能量,可以分为低能、中能、高能三种。其中低能光源侧重于功能研究,比如化学反应、超导电性、磁性等;中、高能光源侧重于结构研究,可用于观察单晶生长、蛋白质分子结构、航空发动机单晶叶片的结构缺陷等。

一直以来,我国都很重视同步辐射光源的发展建设,迄今已在大陆地区发展建设了三代同步辐射装置(中国台湾地区现有台湾光源和台湾光子源2台同步辐射装置,均为第三代光源)。第一代是以高能物理实验为主的兼用光源,即1989年依托北京正负电子对撞机建成的北京同步辐射装置;第二代是同步辐射专用光源,光源能量较低,即1990年建成的合肥光源;第三代也是同步辐射专用光源,光源能量更高,即2009年建成的上海光源。目前在世界范围内,第三代是同步辐射光源的主流,上海光源便是其中性能最好的光源之一。

微观世界的探照灯

同步辐射光源,是一盏人类通向微观世界的指路明灯。在上海张江的绿野上,这盏灯正在24小时运行,无数电子束以接近光的速度,在这座硕大的圆形装置中疾驰,将一束束不同波长的高品质同步辐射光,通过光束线最终照射在各个实验站的样品上。运用光与物质相互作用的科学原理,科学家可以在分子和原子尺度上观察微观物质世界。

无论是在科学界还是工业界,无论是在生命科学、材料科学、环境科学、信息科学、凝聚态物理、原子分子物理、团簇物理、化学、医学、药学、地质学等的前沿基础研究领域,还是在微电子、医药、石油、化工、生物工程、医疗诊断、微加工等的高技术开发应用领域,上海光源都有着广泛的应用价值,是不可替代的先进实验平台。

举例来说,人们用普通光源只能看到物体表面,X 射线强大的穿透力能够探测物体的内部结构,给人类的视野带来革命性变化。但后来,生命科学迈入了分子水平,传统的X光医学成像毫米级的分辨率已不能满足要求。上海光源成像站提供的静态分辨率可达0.8微米——比1/1000毫米还小,足以在原子和分子的层次上研究物质的内部结构,无疑进一步开阔了医学观测的视野。

同步辐射光源的另一个显著应用前景是在微电子机械系统领域。在微细加工技术中,人们利用同步辐射X 射线深度光刻技术,已经研制出微型传感器、微型光电部件、微型马达、微电子开关等。随着集成电路的集成度越来越高,对尺寸在几十纳米及以下的集成电路,同步辐射光刻技术将可能成为最主要的光刻手段。

上海光源面向国内外用户开放,也促进了材料科学领域的研究。石墨烯的发现获得诺贝尔物理学奖之后,各国都在研究它的产业化应用。在我国,依靠上海光源对石墨烯的研究,杭州已经建成年产10吨的石墨烯生产基地。此外,上海光源在甲烷高效转化,单原子催化,超级钢、碳纤维等高性能材料的研究方面,帮助大量研究者解决了许多基本问题,促进了科学的进步和技术的应用。

在环境科学、生物醫学、地质考古等诸多领域,我国科学家利用上海光源开展了多方面、有特色的研究工作,包括毒性元素与化合物在植物中的输运过程与毒性机理、水污染治理中悬浮颗粒携氧机制、心脑血管与肿瘤医学成像、古生物胚胎化石分化研究等,有力地推动了相关学科的发展。

如今,上海光源已经开放试运行13年,为科技创新提供了难得的尖端研究手段,支撑我国科学家在诸多学科领域创新突破,在包括蛋白质结构与功能、超导材料、石墨烯研究、水污染治理等多个重大国计民生领域贡献力量,现已成为推动我国航空航天、生物医药、能源环境、新材料研究等领域开展世界前沿科技探索的重要引擎。

大材“小”用改变生活

以上这些听起来似乎高深莫测,离普通百姓的生活很遥远,其实不然。在世界范围内,同步辐射光源已给人们的生活带来了诸多意想不到的变化,很多就发生在我们身边的细微之处。

以巧克力为例,巧克力中的可可油拥有6种不同的晶体,而口感特别好的巧克力晶体结构非常独特。国际巧克力生产巨头已能用同步辐射光源探测巧克力的晶体结构,帮助生产更美味的巧克力。从这一点上来说,上海光源工程将给中国食品工业带来新的发展视野。再比如音乐爱好者青睐的ipod等高端数字播放器,ipod磁盘中含有上千个微小的磁场,依靠同步加速器,才能生产出超小型的ipod、提供更多储存音乐的空间。

在航空安全性方面,同步辐射光源也发挥着重要作用。金属和巧克力一样,也具有独特的晶体结构,当金属被腐蚀,其晶体结构就发生了改变。通过同步辐射光源拍摄出执行定期航线的飞机金属中的晶体结构,就能知道金属是否已被腐蚀了,这样就可以让有安全隐患的飞机停止飞行。

在对抗病毒方面,上海光源能够解析禽流感、埃博拉、寨卡和新冠等病毒的病毒结构和入侵机理,在筛选抗病毒药物与抗体,以及支持新冠疫苗研制等方面也取得了多项成果。

开放运行13年,用户最多、用户产出成果最多的大国重器

上海光源作为大科学设施, 面向基础研究、应用研究、高新技术开发研究各领域的用户开放。从2009年5月6日起,除去集中维护检修期,上海光源每年向用户供光4000~5000小时,是我国用户最多、用户产出成果最多的大科学装置。所有用户均可通过申请、审查、批准程序获得上海光源实验机时。

上海光源科学中心主任、X射线自由电子激光试验装置项目首席科学家、中国科学院上海高等研究院副院长赵振堂在接受《国家科学评论》(National Science Review ,简写为NSR)杂志访问时介绍,截至2021年年底,上海光源已服务来自全国各地3100多个研究组的34000多名用户,其中一半左右来自高校,30% 左右来自科研机构,13% 左右来自企业、7% 左右来自医院。在中科院的所有院所中,大约80% 的研究所都有科研人员来上海光源做过实验。从学科分布上看,生物学和生命科学的用户占25% 左右,化学、材料、能源等领域的用户也很多。这些用户已在上海光源总计完成了15 000项课题研究,产出了许多科技成果。

上海光源开放的过程,同时也是培养国内同步辐射生力军的过程。在它的3万多名用户中,包括院士、9 7 3计划首席科学家等杰出人才,以及大批优秀中青年人才和大量青年学生。他们利用上海光源取得了令人瞩目的成就:一项成果入选美国《科学》十大科学突破,一项成果入选欧洲《物理世界》十大科学突破,一项成果入选美国物理学会标志性科研进展,一项成果入选美国化学会十大科研成果,9次入选年度中国科学十大进展,5次入选年度中国十大科技进展……

在此过程中,上海光源的后续建设也在不断推进。从最初运行时的7条光束线发展为现在的23条束线、34个实验站向用户开放。预计到2025年,将会有35条束线、50个实验站投入用户实验运行。从2022年开始的5~10年时间,将会是上海光源运行和成果产出的黄金时期。

质量一流,速度少见,建设过程也是科研攻关过程

上海光源是极其复杂的大科学工程,包含众多光学、电子学系统和先进技术,部件研制及系统集成难度极高,工程的设计、建设难度也不可谓不大。

中国科学院上海高等研究院党委书记、副院长,中国工程院院士赵振堂参与了上海光源的预研、建设、开放运行和二期工程建设。2001年完成预研,2004年破土动工,2009年开放运行……上海光源工程的不同阶段,赵振堂的团队都面临着不同难题:在投入和经验积累都不足的条件下,如何建成一座世界一流水平的同步辐射光源?有了光源后,作為公共性平台设施,能不能保证国际先进水平的运行性能?

这样一台大型粒子加速器,一个集高科技、多专业、多门类的综合性复杂系统,需要把世界先进的技术设备有机结合,势必会带来很大的集成创新难度。“最困难的地方,是要尽可能把先进的设计思想和技术融入设施建设方案中,还要对先进技术方案和性价比方面进行综合选择取舍,掌握装置所需加工周期、材料和制造费用,使其在可控的时间、经费内完成。”赵振堂这样说。

为此,上海光源工程团队进行了长期技术攻关探索。比如,光源的核心设备之一——真空内波荡器,此前国内从未研制过,“我们把订单下给了一家外国公司,谁料这家公司忽然提出要到2009年6月以后才能交货”,中科院上海应用物理研究所办公室主任贺战军回忆,为了赶上工期,科研人员紧急启动自主研发,仅用了11个月就研制成功国内第一台真空内波荡器,主要性能达到国际先进水平。

这样的事例还有很多。在工程的实施过程中,科研人员需要不断分析研判各种设备性能要达到的技术指标,还要进行关键核心元器件的技术研发,先后攻克了加速器、光束线等众多关键技术难题。事实证明,大科学工程建设的过程,也是集智攻关的过程。通过引进消化吸收和自主创新研制,上海光源的建设实现了科技实力和工业技术的高水平集成创新,取得了多项国际领先、国际先进、国内首创的自主研制设备及其技术成果,自主研制的设备超过70%,在国际上同类第三代同步辐射光源中性价比最好。

最终,上海光源在52个月的时间内完成了设备研制、工程建设和调试调束,顺利投入试运行。工程科技委评价其“质量一流,速度世界少见”。上海光源的建成,不仅表明我国在建设大科学工程实验装置方面,具备了高水平的自主创新和技术集成能力,已经进入了国际先进行列,而且将直接带动我国现代高性能加速器、先进电工技术、超高真空技术、高精密机械加工、X 射线光学、快电子学、超大系统自动控制技术以及高稳定建筑等先进技术和工业的发展,并对我国的科技进步、经济发展、资源开发、环境保护、人口与健康等方面产生广泛而深远的影响。

居安思危不掉队,立足国家长远发展,面向世界科技前沿

上海光源如火如荼发展的同时,在世界范围内,同步辐射光源大科学装置的建设依然势头不减,第四代同步辐射光源建设已经开启。面对新的机遇和挑战,上海光源正进入“从单一装置向集群发展”的新阶段——在张江科学城,一个全球规模最大、种类最全、综合能力最强的光子大科学设施集群正在加速形成。

与我国在北京怀柔、合肥、深圳等地正在建设的大科学设施集群相比,上海张江的集群有一个特点,就是科学设施之间有更紧密的内在联系——上海光源、超强超短激光装置、软X 射线自由电子激光装置、硬X 射线自由电子激光装置等,都是以光子为核心的不同领域的大规模设施,且设施之间互有补充。赵振堂表示,在将来,我们还希望把自由电子激光和同步辐射光源的技术结合起来,把上海光源升级为相干的同步辐射光源。也有人把这样的光源称“第五代光源”。

可以预见的是,张江科学城正在以世界三大光子科学中心为目标,打造跨学科、综合性、多功能的大科学研究平台,一流设施和一流科学家将在这里碰撞出科技火花,产出更多重大创新成果。

本文内容综合自中华人百家号、上海同步辐射光源网、光明日报、国家科学评论、知识分子、上海科技、新华社、中国工程科技知识中心网、科学时报、浦东时报

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