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科学仪器要从“零”到“万” ——记“多波段脉冲单自旋磁共振谱仪”研制历程

 

时间:2021年05月28日     来源:中国科学报

 
 

  过去百年来,诺贝尔自然科学奖所涉及的开创性工作和重大发现中,近70%借助仪器完成,物理和化学领域的发展更是离不开科学仪器的支撑。

  正是意识到仪器在促进科技进步、推动人类认识客观世界方面的重要意义,十多年来,中国科学院院士、中国科学技术大学副校长杜江峰带领的微观磁共振重点实验室团队在国家自然科学基金的长期支持下,“边科研边研制”,在微观尺度磁共振谱学及生物、物理、信息等领域取得了一系列原创成果,60余篇相关论文在《科学》《自然》《自然》子刊和《物理评论快报》等期刊上发表,多项成果获得奖励。他们依托创新科研成果研制的近20种仪器,已广泛服务于高校、研究所、医院和企业。

  杜江峰认为,如果研制出原创的科学仪器是从“0”到“1”,那么把仪器送到千万用户手中,让用户来验收就是从“一”到“万”。在当前中国急需各种高端仪器的情况下,仪器研制应做到从“零”到“万”。

  “借”和“买”的困境

  上世纪末以前,我国科学家多数是做些不用仪器或使用低端仪器的研究。后来能从国外买一些高端仪器,但不少研究仍是“买得到就做,买不到就不做”。

  “这给科技创新带来了巨大阻碍。一是发达国家对高端仪器禁运,有钱也买不到。二是即便能买,拿到仪器时也比人家晚一个阶段。三是拿到仪器后,因为没有维护维修能力,往往难以发挥最大作用。”杜江峰对《中国科学报》说,“现代科技已经发展到高度依赖尖端科学仪器的阶段,但我们的供给严重不足,仪器缺乏已经成为制约我们原始创新的大问题。”

  20年前,杜江峰团队基本上靠借仪器做实验,听说哪里有仪器,就跑去测一测,做个实验。10年前,团队有了第一台进口仪器,利用那台仪器,做出了一些成果、也发了文章。很快,“借”和“买”都不能满足需求了,他们就萌生了“自己做仪器的想法”。

  2010年,团队得到中科院支持,启动一个200多万元的仪器研制项目。通过那个项目,团队积累了研发经验,也得到了锻炼。

  随着国内科学研究对仪器的需求越来越旺盛,国家自然科学基金委、科技部、财政部陆续推出一些仪器研制计划。国家自然科学基金委的国家重大科研仪器研制项目定位于“前端”和“创新”,项目承担者需要做出从“0”到“1”的突破,研制出原创的仪器。

  “我们去申请国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目时,既有一定的研制基础,又做出了很好的成果,还有一支优秀的团队。”杜江峰说,“当时我们提的方案合理,各项指标也非常高,国际上又没有同类型仪器,这完全符合项目定位。”

  “多波段脉冲单自旋磁共振谱仪”能够在不破坏研究对象的前提下,提供微观物质内部结构信息,拓展人们驾驭单个核自旋的能力,对前沿基础科学以及提升我国开展原创性研究能力意义重大。

  2013年初,杜江峰团队顺利获得国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目资助,团队成员摩拳擦掌,准备大干一番。

  蓄积力量

  缺乏高端科研仪器之“痛”有两个突出表现。一是发达国家的技术封锁,有钱也买不到。二是当我国少数领域迈入国际前沿时,迫切需要的仪器国际上也不一定有。

  当中国科学家在多个领域跻身国际前列时,缺“仪”之痛和今天的缺“芯”之痛如出一辙。

  在研制多波段脉冲单自旋磁共振谱仪时,有个关键部件叫钻石传感器,它的灵敏度决定着仪器的性能。但当时相关的原理才提出来四五年时间,国内外都没有现成的设备可参考。

  “当时美、德有个研究组也在往这个方向走,知道我们要研制后,马上把相关的技术和产品都封锁了。”该团队成员、中科院微观磁共振重点实验室副研究员王鹏飞说,“国外厂商禁运了钻石传感器相关的产品和技术,所以一开始,我们就面临很大的困难。”

  钻石传感器研制中用到一种离子注入技术,但当时大家连离子注入的机制都不清楚。

  “杜老师在理论上给予指导,和我们一起讨论,研究解决方案。”王鹏飞说,“我们从一台农业育种注入机上得到启发,对它进行改造和设计,又造了一些部件,最终达到了项目初步目标。”

  后来,团队不断摸索,找相关单位攻克VR加工技术、波导设计加工工艺。经过几轮迭代,团队用不到3年时间,将钻石传感器技术提升至国际先进水平。

  “2016年底,连传感器的原料也被发达国家禁运了,我们必须一点点摸索,攻克一道道工艺难关,但这也让我们一步步、全链条地掌握了核心技术。”中科院微观磁共振重点实验室副研究员秦熙说,“在这个过程中,能明显感觉到国外仪器厂商对我们的态度,经历了几轮反转。”

  在国家自然科学基金委仪器研制项目的资助下,杜江峰团队一路披荆斩棘,在实战中蓄积着“起跳的力量”。

  “落地”才算验收

  2014年,杜江峰发现,国内一些研究机构也面临着自己曾经的苦恼:迫切需要一些高端仪器但买不到。

  这时他们已经研制出部分仪器,杜江峰想,既然有这个能力,何不多做几台?

  “我们要探索新的合作方式,改变过去那种‘立项研究,验收了事’的做法。”杜江峰说。

  科学家研制仪器和企业家做仪器的目标、关注点完全不同。高校和研究所的仪器研制项目属于“学术牵引”,可以不计原件成本,只要各项技术指标在验收时最好即可。但企业要完全遵照市场规律,以产出成套仪器为目的,注重稳定性、可重复性,讲究成本可控。

  “尽管都和仪器有关,但做产品和搞基础研究是两码事。”杜江峰说,“不少项目是‘进门严苛,出门宽松’,只要能立项,验收通常并不困难。专家把各项指标一测,达标就可以通过。但仪器成为商品不同,就像一个手机,不能今天有信号,明天没信号。”

  为解决产学研衔接的难题,让仪器研究真正“落地”,杜江峰下定决心,承诺延迟验收,让用户单位来验收。“用户什么时候觉得满意了,什么时候通过验收。”

  “我们这套仪器原计划2016年完成,专家验收是2016年完成的,但用户在实际使用过程中,不断发现问题、提出改进意见,包括原来计划里没有的。研究出现新情况、产生新需求,我们都尽可能满足,最后用户彻底满意了。”杜江峰说。

  该仪器后期迭代也随着国仪量子(合肥)技术有限公司的成立交由公司负责,从而更加明确了科研团队从“0”到“1”、企业从“一”到“万”的产学研模式。

  底气何来

  “我们实验室有近40台装备,除了2009年买过一台进口仪器外,这12年来没买过成套装备,基本上自己想到的、需要的,都由自己做。”杜江峰说。

  目前,该团队研制的仪器已广泛服务于医院、企业、科研院所。谈及团队制胜的“法宝”,杜江峰用“品格、平台、氛围”六字概括。

  “感谢中科院和国家自然科学基金委领导的远见和魄力,支持我们探索一种灵活的机制,比如‘边科研边研制’,比如支持我们把研制的仪器真正‘落地’。”杜江峰说,“在持续资助下,我们也在实战中锻炼了一支特别能‘打’的队伍。”

  “务实、低调,凝聚力强”,是国仪量子(合肥)技术有限公司总裁贺羽对团队的最深刻印象。目前,该公司已经从科学家手中接过成果产业化的“接力棒”,开始用产品经营的思路、以工程化的方式向商业化迈进。

  中国科学技术大学教授石发展说:“杜老师常说,学术讨论只有对错,不分地位高低。所以我们形成了自由、平等的学术讨论氛围。我们从不打卡,但晚上12点实验室灯火通明是常态。大家都奔着一个目标,做得非常开心。”

  杜江峰认为,人才是大学最重要的产品,除了要培养学生的品格外,还要提供一流的平台、好的工作环境和科研氛围。

  “非常感谢团队成员的努力。”杜江峰说,“虽然我们取得了多个世界第一、获得了一流成果、培养了一流人才、提供了一流平台、做出了一流产业,但在仪器研制方面,跟国际先进水平相比仍有差距。仪器研制‘路漫漫其修远兮’。”