篳路藍縷啟原位透射電鏡之路 篤行不息拓國產(chǎn)高端儀器之疆
——訪(fǎng)廈門(mén)超新芯科技有限公司創(chuàng )始人廖洪鋼
【化工儀器網(wǎng) 人物訪(fǎng)談】近日,國家自然科學(xué)基金委員會(huì )揭曉2023年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊研究成果“發(fā)現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制”入選。此項成果基于研究團隊自主開(kāi)發(fā)的高時(shí)空分辨電化學(xué)原位液相透射電鏡技術(shù),而廖洪鋼正是該技術(shù)領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一。
在科研道路上,廖洪鋼一路披荊斬棘,見(jiàn)證了原位液體透射電鏡技術(shù)從被質(zhì)疑到獲得認可,并最終成為一項具有“顛覆性”的技術(shù)變革。他也從最初的科研“冷板凳”上站起,成為這一新領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物?;x器網(wǎng)有幸對廖洪鋼教授進(jìn)行了專(zhuān)訪(fǎng),深入了解了他在原位透射電鏡研究中的精彩故事,以及他為推動(dòng)原位液相透射電鏡技術(shù)產(chǎn)業(yè)化作出的巨大貢獻。
原位液相透射電鏡技術(shù):從探索到突破
透射電鏡(TEM)具有超高的時(shí)間和空間分辨率,是化學(xué)、材料及其他相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的強大表征分析工具。但常規透射電鏡利用電子束作為照明源,需要在高真空環(huán)境中運行,因此樣品以固體和干燥樣品為主,限制了其在液體領(lǐng)域的應用。
早在1930年代,研究者就開(kāi)始嘗試利用兩片鋁箔包裹樣品的方法進(jìn)行液體環(huán)境的透射電鏡研究,但這種方法僅能提供微米量級的分辨率,幾乎無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應用的需求。直到進(jìn)入21世紀,隨著(zhù)微納加工等技術(shù)的發(fā)展,用于封存液體樣品的微型液體池被成功設計制造出來(lái),才使得原位透射電鏡技術(shù)得到突破性的進(jìn)展。
2003年,F. M. Ross課題組首次采用非晶氮化硅薄膜作為電化學(xué)液體池的觀(guān)察窗口原位研究了Cu在A(yíng)u電極的電化學(xué)沉積過(guò)程。這一創(chuàng )新成為后續液相透射電鏡技術(shù)的原型。但在初期,由于難度高、投入大,原位透射電鏡技術(shù)并未得到廣泛認可。
2009年,勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室鄭海梅教授通過(guò)微納加工方法制作了一種靜態(tài)液體池用于研究單晶鉑納米晶體的生長(cháng),這種結構將分辨率提升至亞納米級別。在此之后,鄭海梅團隊進(jìn)一步拓展研究方案,發(fā)表了一系列研究成果,充分展示了原位液相透射電鏡的應用潛力,從而掀起了這一領(lǐng)域的研究熱潮。而廖洪鋼在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室擔任助理研究員時(shí)期,導師正是鄭海梅教授。
“前十年大家還在思考這個(gè)東西到底能做什么,到后十年,因為有了熱點(diǎn)的應用方向,才開(kāi)始快速發(fā)展。”廖洪鋼說(shuō),“但目前它仍處于非常早期的發(fā)展階段。”過(guò)去十多年,原位液相透射電鏡技術(shù)的應用集中在很小的領(lǐng)域。廖洪鋼認為,現在是該技術(shù)正要大規模發(fā)展其他應用的關(guān)口,未來(lái)還會(huì )有非常大的發(fā)展機遇。
用堅持與好奇書(shū)寫(xiě)原位電鏡新篇章
在廖洪鋼涉足原位電鏡研究領(lǐng)域之初,該領(lǐng)域尚屬未知,甚至連原位電鏡的概念都未曾存在。他僅憑著(zhù)一股“想要證明自己”的韌勁,毅然踏上了這條探索之路。研究生時(shí)期,他在納米材料合成研究中觀(guān)察到了各種形狀的納米材料。當他嘗試向期刊投稿時(shí),卻由于提出的合成機理缺少足夠證據而遭到質(zhì)疑。這次經(jīng)歷讓廖洪鋼下定決心,要通過(guò)電鏡觀(guān)察納米材料生長(cháng)的整個(gè)過(guò)程。這一信念貫穿了他的研究生涯,并成為支持他在還未被前人開(kāi)拓的科研道路上前行不輟的動(dòng)力。
談到多年的“冷板凳”以及周?chē)焕斫獾穆曇?,廖洪鋼報以從容微笑。那些承受否定與壓力的歲月,如今已成為他獨立研究時(shí)的寶貴財富?;貒?,廖洪鋼帶領(lǐng)團隊進(jìn)行了無(wú)數次的嘗試,盡管過(guò)程中充滿(mǎn)了失敗與挫折,但他從不將其視為失敗。他深知,要利用新的技術(shù)和方法得到新的研究成果,需要不停地思考和嘗試,尤其是在沒(méi)有前人經(jīng)驗的情況下。
數十年如一日的研究最終結出了累累碩果。廖洪鋼及其團隊開(kāi)發(fā)了多種原位電鏡芯片反應器及系統,將氣液體流場(chǎng)引入電鏡,實(shí)現光、電、熱、力等外場(chǎng)控制及測量引入原位/工況高時(shí)空分辨研究,在原位電鏡領(lǐng)域取得了眾多成果,并獲得了廣泛認可。“我覺(jué)得最難的點(diǎn)對我們來(lái)說(shuō)可能就是堅持。”廖洪鋼這樣說(shuō)道,“在整個(gè)過(guò)程中保持好奇心,當你通過(guò)新的方式去獲取以前所未知的東西,你會(huì )非常激動(dòng),而這樣的心情能夠促使你長(cháng)年地堅持下去。如果你堅持下去,那么遲早能克服困難,得到你想要的結果。”
產(chǎn)學(xué)研融合 加速原位電鏡技術(shù)發(fā)展
2019年,廖洪鋼創(chuàng )立廈門(mén)超新芯科技有限公司,將產(chǎn)、學(xué)、研深度融合,矢志不渝地推動(dòng)各類(lèi)原位芯片技術(shù)的發(fā)展與應用。在他的規劃中,這家公司的誕生將為原位電鏡的技術(shù)發(fā)展和應用推廣提供重要助力。
首先,公司的創(chuàng )立為廖洪鋼的眾多科研成果開(kāi)辟了一條更為便捷的產(chǎn)業(yè)化道路。高端科研設備的研發(fā)涉及多學(xué)科交叉,不僅需要儀器技術(shù),更融合了機械、電子、軟件等眾多領(lǐng)域的智慧。研究團隊中每個(gè)人的專(zhuān)業(yè)背景有限,而成立公司能夠集結各方英才,共同完善和優(yōu)化儀器的設計。此外,公司也為其贏(yíng)得了更多的政府和社會(huì )資金支持,為科研活動(dòng)的持續開(kāi)展提供了有力保障。
其次,公司的成立使得研究團隊能夠更專(zhuān)注于科研。通過(guò)與公司的緊密合作,許多技術(shù)研究工作得以轉移到公司部門(mén)中,極大地減輕了團隊成員學(xué)習跨學(xué)科基礎知識的負擔。同時(shí),團隊中涌現的新想法和遇到的問(wèn)題也能通過(guò)公司同事的協(xié)助,更加精準和高效地得到解決,從而推動(dòng)設備不斷優(yōu)化。
目前,國外眾多企業(yè)已成功將原位電鏡商業(yè)化。然而引入進(jìn)口儀器不僅價(jià)格高昂,往往還無(wú)法完全適配國內研究者的需求。廖洪鋼也希望,能夠通過(guò)廈門(mén)超新芯科技有限公司實(shí)現原位電鏡技術(shù)的本土化發(fā)展創(chuàng )新,為國內研究者提供更好的服務(wù)與支持,以在國際上引領(lǐng)相關(guān)領(lǐng)域研究。
應用落地 貢獻原位電鏡中國方案
自成立以來(lái),超新芯已實(shí)現了原位產(chǎn)品的全系列供應,產(chǎn)品涵蓋科研類(lèi)芯片、分析測試芯片、集成測量芯片及系統、芯片實(shí)驗室解決方案和電鏡配套樣品臺系統。其產(chǎn)品已全面進(jìn)入各大高校和科研院所高端實(shí)驗室。同時(shí),超新芯還與產(chǎn)業(yè)和業(yè)內領(lǐng)先的儀器公司密切合作,共同發(fā)展中國原創(chuàng )的新技術(shù)和方法,為我國高端科研儀器國產(chǎn)化作出了突出貢獻。
2023年,超新芯攜手蔡司推出國內首個(gè)具有高品質(zhì)成像和先進(jìn)分析特點(diǎn)的原位液體電化學(xué)顯微解決方案。該技術(shù)克服了液相密封安全性、液相對電子束的成像干擾、電學(xué)測量精準性、液相流控穩定性等方面的局限,實(shí)現樣品在液氛中電化學(xué)反應過(guò)程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高分辨表征。這是超新芯在原位液體領(lǐng)域的最新成果。
而入選2023年度中國科學(xué)十大進(jìn)展的“發(fā)現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制”充分體現了原位液相透射電鏡技術(shù)在電池研究中的應用價(jià)值。電化學(xué)界面反應在近百年來(lái)通常認為通過(guò)“內球”或“外球”單分子機制完成,該研究揭示出存在“電荷存儲聚集反應”機制,為下一代電池設計提供了新的思考方式。
此外在原位氣體和原位冷凍等領(lǐng)域,超新芯也推出了眾多解決方案。例如,超新芯依托現有的冷凍桿和冷凍電鏡兩種原位冷凍實(shí)驗方法開(kāi)發(fā)優(yōu)化方案,成功推出了高性?xún)r(jià)比、高穩定性的原位冷凍電鏡解決方案。
從基礎研究到成果落地,廖洪鋼走過(guò)了漫長(cháng)而曲折的科研創(chuàng )新道路。如今,隨著(zhù)超新芯不斷推出先進(jìn)的產(chǎn)品和解決方案,他的理想也在逐步變?yōu)楝F實(shí),為我國科研事業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展貢獻著(zhù)智慧和力量。
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