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楊學(xué)明院士:創(chuàng)新科學(xué)儀器是推動(dòng)科技發(fā)展原動(dòng)力

來源:中國(guó)科學(xué)報(bào)   楊學(xué)明   2019-06-20
導(dǎo)讀:楊學(xué)明,1962年10月生于浙江,1991年博士畢業(yè)于美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校,研究員,中國(guó)科學(xué)院院士,曾任中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所副所長(zhǎng)、分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。現(xiàn)任化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究中心主任。

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我與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所(以下簡(jiǎn)稱大連化物所)結(jié)緣始于1982年。

那年,我在家鄉(xiāng)浙江讀完大學(xué),滿懷憧憬來到美麗的大連,在大連化物所繼續(xù)深造。

是偶然也是必然,我在浙江師范大學(xué)讀的物理系,但在中學(xué)就喜歡化學(xué),因此很自然地走上了化學(xué)物理研究這一條路。

在大連化物所的3年,為我打下了科學(xué)研究的基礎(chǔ),使我開始向往從事前沿科學(xué)研究。

2001年,經(jīng)歷了多年海外學(xué)習(xí)和研究后,我終于回到自己科學(xué)生涯的起始地——大連化物所。

回顧幾十年的科學(xué)生涯,我始終工作在實(shí)驗(yàn)物理化學(xué)和化學(xué)物理領(lǐng)域,一直從事新的科學(xué)儀器研發(fā),利用這些新的科學(xué)儀器開展前沿科學(xué)研究。

我們組取得的大多數(shù)研究成果都與創(chuàng)新科學(xué)儀器的發(fā)展密不可分。我深刻體會(huì)到,實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究要想實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展,必須把創(chuàng)新科學(xué)儀器研發(fā)放在極其重要的位置。

在讀碩士研究生期間,我的研究課題是“高分辨紅外分子光譜的研究”,師從張存浩老師和朱清時(shí)老師,正是這兩位科學(xué)界的前輩把我?guī)肓朔肿臃磻?yīng)動(dòng)力學(xué)這個(gè)當(dāng)時(shí)還非常新的領(lǐng)域。

兩位老師淵博的知識(shí)、開闊的學(xué)術(shù)視野讓我受益匪淺,他們的支持和幫助使我有機(jī)會(huì)在科學(xué)研究的道路上勇往直前。

碩士研究生畢業(yè)后,我赴美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校開始了博士研究生生涯,研究方向是“高振動(dòng)態(tài)光譜與動(dòng)力學(xué)研究”。

在博士研究階段,我領(lǐng)悟了先進(jìn)的科研儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)化學(xué)物理基礎(chǔ)研究的重要作用,學(xué)會(huì)了獨(dú)立思考尋找重要科學(xué)問題和解決問題的能力,樹立了獨(dú)立科研工作的信心,進(jìn)一步加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究的興趣和熱情,更堅(jiān)定了發(fā)展新的高端儀器用于科學(xué)研究工作的決心。

博士畢業(yè)后,我在普林斯頓大學(xué)化學(xué)系從事了近兩年的博士后研究,在團(tuán)簇分子的高分辨紅外光譜研究方面打下了很好的基礎(chǔ)。

第一次有機(jī)會(huì)親自研制復(fù)雜的整套科學(xué)儀器,是我在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做博士后期間。

我的導(dǎo)師是1986年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主李遠(yuǎn)哲教授,他對(duì)我的科研發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

我花了整整一年的時(shí)間,跟著實(shí)驗(yàn)室的工程技術(shù)人員,在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出人生第一套復(fù)雜儀器的圖紙,并且成功地把設(shè)計(jì)圖紙變成世界上首套利用同步輻射的交叉分子束科學(xué)儀器。

通過這一經(jīng)歷,我認(rèn)識(shí)到,自己研制儀器要做到有的放矢,兼具獨(dú)特性,只有這樣,我們才有可能做出獨(dú)特且領(lǐng)先的科研工作。

我在后來每一個(gè)階段的科研工作中都踐行了這樣的理念,堅(jiān)持根據(jù)實(shí)際科學(xué)需求設(shè)計(jì)研制科學(xué)儀器。

在隨后的幾年里,我們小組先后設(shè)計(jì)研制了多臺(tái)先進(jìn)的交叉分子束儀器裝置,發(fā)展了一系列高靈敏度探測(cè)技術(shù),在分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域取得了系列性科學(xué)突破,多項(xiàng)科研成果發(fā)表在《科學(xué)》《自然》等刊物上。

我越來越深刻地體會(huì)到,創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法和科學(xué)儀器是實(shí)驗(yàn)物理化學(xué)和化學(xué)物理等基礎(chǔ)研究發(fā)展的重要原動(dòng)力。

大科學(xué)裝置對(duì)于科技發(fā)展的作用是常規(guī)儀器和手段不可比擬的,其所覆蓋的學(xué)科范圍之廣也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。

當(dāng)我在伯克利做博士后期間,有幸親身體驗(yàn)了當(dāng)時(shí)世界上最先進(jìn)的第三代同步輻射光源。同步輻射雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但也有不少缺點(diǎn)。

當(dāng)時(shí)我就在想,如果有一臺(tái)工作在極紫外波段的激光器,那就太好了。也正是從那個(gè)時(shí)期開始,我就一直思考如何發(fā)展屬于自己的極紫外自由電子激光光源,這是我20多年來的一個(gè)夢(mèng)想。

第三代光源出現(xiàn)以來,全世界進(jìn)入建設(shè)大型先進(jìn)光源發(fā)展的熱潮,我國(guó)也相繼有了北京光源、合肥光源、上海光源等大科學(xué)裝置。

2000年之后,高增益自由電子激光技術(shù)有了飛躍發(fā)展,自由電子激光在極紫外區(qū)域的優(yōu)異特性研究對(duì)我有著極大的吸引力。

2001年我正式回國(guó),回到曾經(jīng)熟悉的大連化物所開展工作,得到了大連化物所領(lǐng)導(dǎo)和同事們的鼎力支持和幫助,科研工作很快開展起來,并取得了不錯(cuò)的成果,分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

通過調(diào)研我們發(fā)現(xiàn),全世界正在建設(shè)的高增益自由電子激光裝置中,沒有一臺(tái)是工作在極紫外區(qū)域的。

而極紫外區(qū)域又是探測(cè)分子、原子和外殼層電子結(jié)構(gòu)最為有效的光源,在科學(xué)研究中具有重要且獨(dú)特的作用。如果能在這個(gè)領(lǐng)域有所突破,我們有望填補(bǔ)國(guó)際空白,在相關(guān)研究領(lǐng)域搶占先機(jī)。

從2007年開始,我和中科院上海應(yīng)用物理研究所(以下簡(jiǎn)稱上海應(yīng)物所)的合作者開始醞釀極紫外自由電子激光裝置的研制計(jì)劃。

2011年,我們聯(lián)合向國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱自然科學(xué)基金委)提出了建設(shè)“大連相干光源—大連極紫外自由電子激光”計(jì)劃的申請(qǐng),得到了自然科學(xué)基金委首批國(guó)家重大科學(xué)儀器研制項(xiàng)目的支持,獲得了1億多元的資助。我們深知要完成這一研制任務(wù)面臨著巨大的挑戰(zhàn),并為此開始了更細(xì)致的準(zhǔn)備和調(diào)研。

2014年10月,大連相干光源主體實(shí)驗(yàn)樓破土動(dòng)工,2016年9月24日完成了主要基建工程和主體光源裝置的研制,并實(shí)現(xiàn)了光源裝置的首次出光,創(chuàng)造了同類大型自由電子激光科學(xué)裝置建設(shè)的新紀(jì)錄。

之后,我們相繼成功實(shí)現(xiàn)了自由電子激光自發(fā)輻射自放大模式(SASE)和高增益諧波放大模式(HGHG)的飽和輸出。

這是我國(guó)第一臺(tái)真正用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的自由電子激光大型用戶裝置,也是世界上唯一工作在極紫外波段的自由電子激光裝置,是世界上最亮的極紫外光源。該裝置90%的儀器設(shè)備由我國(guó)自主研發(fā)。

2018年,大連相干光源通過了驗(yàn)收,專家組一致認(rèn)定,這是一臺(tái)獨(dú)特的極紫外自由電子激光裝置,整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

如今,大連相干光源已經(jīng)開始發(fā)揮出巨大的科研推動(dòng)作用。

例如水的三體解離、中性團(tuán)簇結(jié)構(gòu)解析等方面,都取得了很多非常好的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果。

國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)知名科研團(tuán)隊(duì)借助大連相干光源開展實(shí)驗(yàn)研究。未來,大連相干光源還將進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí),并有望在燃燒、表界面催化、光催化、大氣霧霾等重要科研領(lǐng)域的研究中發(fā)揮更大的支撐作用。

對(duì)夢(mèng)想的追求是永不停歇的。

近些年,國(guó)際上又興起一種更新的光源技術(shù),那就是基于超導(dǎo)加速器技術(shù)的高重復(fù)頻率自由電子激光。

我們敏感地察覺到這一技術(shù)的巨大潛力,并于2016年和上海應(yīng)物所的合作者一起,去國(guó)外調(diào)研了更新一代高重復(fù)頻率自由電子激光技術(shù)的發(fā)展。

這次調(diào)研更加堅(jiān)定了我們要在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)建設(shè)高重復(fù)頻率自由電子激光裝置的決心,這是國(guó)際上剛剛興起的一項(xiàng)技術(shù),目前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家正在推動(dòng)發(fā)展,如果我們能率先布局,就意味著我國(guó)在這一領(lǐng)域能真正實(shí)現(xiàn)在國(guó)際上領(lǐng)跑,具有深遠(yuǎn)的影響。

基于這樣的思路,我們提出在大連建設(shè)更新一代高重復(fù)頻率極紫外自由電子激光(簡(jiǎn)稱大連先進(jìn)光源)計(jì)劃。

大連市政府給予了非常大的支持。有了這樣的基礎(chǔ),我們將努力爭(zhēng)取這一項(xiàng)目獲得國(guó)家的支持。

如果這個(gè)項(xiàng)目能夠落實(shí),我國(guó)將會(huì)在幾年后擁有一個(gè)世界上獨(dú)特的高重復(fù)頻率自由電子激光裝置,這將奠定我國(guó)在這一領(lǐng)域的國(guó)際領(lǐng)先地位,為我國(guó)能源基礎(chǔ)科技創(chuàng)新注入更加強(qiáng)大的動(dòng)力。

參考資料

【1】微信公眾號(hào)中國(guó)科學(xué)報(bào)(ID:china_sci),楊學(xué)明:創(chuàng)新科學(xué)儀器是推動(dòng)科技發(fā)展原動(dòng)力


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