作者:鲍海飞 来源:中国科学报 发布时间:2012-8-17 5:4:33
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原创仪器研发的三大障碍
 
■鲍海飞
 
一个好的实验室和研究部门离不开好的设备和仪器,而一台成功仪器设备的研发背后却是实现这台设备的物理原理、数学和自动控制方法等最有力的体现和运用。国内目前自主开发的仪器设备太少了,有分量的就更少了。我们只是一味地在买设备,长此以往,后果不堪设想。每每在实验室里,看到这个国家的设备、那个国家的设备,唯独鲜见我们自己的设备,中国制造怎么就这么难!仅从科学研究和应用的角度来说,是什么阻碍了我们的科学仪器设备的发展和技术进步,笔者试图从三个方面来阐述这个问题,主要包括物理原理、数学和集成电路等。
 
从物理原理的掌握和运用上来说,这是限制我们深入发展和创新的第一个原因。
 
举个例子。1986年,诺贝尔物理学奖授予了扫描隧道显微镜STM(scanning tunneling microscopy)研究的几位工作者, 其中之一是瑞士鲁西利康(Ruschlikon)IBM的德国物理学家格尔德·宾宁(Gerd Binnig)和瑞士物理学家罗雷尔(Heinrich Rohrer),表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。
 
STM的基本原理就是利用量子力学中的隧道效应,在金属针尖和样品表面形成隧道电流,从而实现了原子的表面成像。但是限于当时的技术条件,样品只能是导电的,还不能在非金属表面上进行成像。然而,随后的发展却更让我们吃惊,一些科学家又相继开发出能够在绝缘衬底上成像的原子力显微镜AFM(atomic force microscopy),它是以硅或氮化硅为针尖与样品表面直接接触(contact mode),施加到样品上的力小到只有几个纳牛(nN),甚至更小。这样,一下子就将测试的样品类型扩展到了几乎所有的被研究的材料表面。随后,人们又开发了多种多样功能类型的表面成像设备。从此,在微米、纳米尺度甚至原子水平上表面特性的研究进入到一个崭新的领域。由此看来,物理原理的掌握和运用实在是一个重要因素。
 
对数学的理解和运用是第二个主要因素。现代工业绝大部分技术的实施都是以计算机控制为基础,因此,需要对诸如电压等物理模拟量进行数字化,然后计算机才能够进行有效的数据采集,再对数据进行分析,光滑处理,包括滤波分析、时域分析和频谱分析等,最后输出图像等一系列过程。其中,要用到很多数学运算,傅里叶变换(FFT)、拉氏变换(Lplpace)、卷积(convulution)、相关(correlation)和互谱(cross spectrum)等。从这些分析途径中可以对信号进行频率的提取、图像的光滑处理和未来事物发展的预测等。我们每每能够看到一些设备的软件不仅界面做得漂亮,而且其数学处理真是很专业、深入又实用。现在,我们看到国内某些研发部门也都做出了不少有自己特色的软件,但能否持续开发升级坚持下去,仍是一个问题。因此,只有当从数学原理上有了深刻的认识,并应用到设备上,这才能发挥数学真正的作用。
 
第三个便是集成电路的研发与应用。固体电子学最大的成功是半导体上集成电路的成功研制,集成电路上最大的成功应用是在计算机上的发展,而计算机的发展却是带动整个网络时代发展的主要工具,并极大促进整个工业界在自动控制技术等领域中的应用。因此,集成电路的发展真正代表了一个国家科学技术发展的源动力。集成电路在摩尔定律的驱动下,已经大踏步向前,据说IBM等大公司已经开始向9nm的技术迈进。如果我们不能突破这一瓶颈,将会被越落越远。
 
这三个方面的问题无疑是制约我们科技发展和进步的主要因素,其中既涉及到软环境又涉及到硬环境。我们可能既不缺乏懂得物理原理的人,也不乏擅长数学的人,也不乏努力工作的技术人才,但是,如果没有一个很好的整合,未来真的将被越落越远。只有开发出自己的设备,才能做出真正的属于自己的科研,才能真正实现中国制造。
 
(http://blog.sciencenet.cn/u/BaoHaifei)
 
《中国科学报》 (2012-08-17 A3 博客@科学网)
 
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