日前，北京文津饭店迎来了一队行色匆匆的外国科学家。此前,这行人已经先后去过上海、苏州和沈阳。北京之后，还将飞去重庆。

 

为首的是一位留有络腮胡的老头，尽管已经65岁，但他清晰的思维和走路的劲头却像年轻人。他就是材料领域大名鼎鼎的George Smith，英国牛津大学教授，一位杰出的科学家、“商人”和管理者。Smith率领的英国代表团此次中国之行，是为了访问国内多个研究机构和高校，并探索一些潜在的合作可能。

 

在文津饭店，记者终于见到了这位科学界的传奇人物。

 

 

Smith：最简单的原子探针很早就已经出现，我和牛津大学另外两位教授Alfred Cerezo、Terence Godfrey开发出的三维原子探针所能做的特殊事情，就是在原子层面上重建固体材料的空间结构。其实，人们很早就知道三维原子探针的原理，我们不是最先知晓设计原理的人，我们是最先将场离子显微镜、飞行时间质谱仪以及单原子敏感和位置敏感探测器结合起来让三维探针成为现实的人。

 

三维原子探针的思路就是用2000伏的高压作用于材料表面，从而一层一层剥离材料最外层原子，当这些原子碰到探测器的时候，就会产生一个微小的电压，只有几毫伏。我们可以根据这些确定出原子的种类及其空间结构。打一个比方来形容这种探测和设计的难度，就像是在一声巨大的爆炸之后倾听针掉在地上的声音。2000伏的电压就好比爆炸，相比之下几毫伏就是极其轻微的一声，但这是我们必须克服的挑战。

 

可以说，这是一个部分由我们解决了的电子学、计算与设计工程问题。当时其他一些人也试图实现三维探针，但他们雄心更大，想让开发出的设备能够同时收集大量的原子，同时测定它们的位置，因此十分复杂。而我们当时所关注的问题就是就如何针对一个原子实现这一过程，这样问题就简单得多。我们将许多原子的并行探测过程分割成一系列的小的探测，一个接一个地收集和处理，通过多次运行该设备，同样能够得到原子的分布，也可以解决问题。

《科学时报》：三维原子探针比扫瞄隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）更好吗？

 

Smith：有两方面的差异。首先，对于STM和AFM而言，要想确定你看到的是什么原子非常非常难，除非你事先知道有哪些原子，否则无法判断某一位置上到底是什么，比如镓和砷原子就常常无法分清。而三维原子探针可以在不知道的情况下，区分任何种类的原子。另一方面，STM和AFM只能够看到材料最表层的原子。而在三维原子探针技术中，我们可以像考古学一样，一层一层地剥离原子，一直向下研究，从而在空间上构建原子分布结构。

 

 

Smith：科学家常常想创造出更好更新的材料，比如让它们更轻、能效更高等等，这就需要到达已有材料的边界。但到目前为止，材料科学的大部分研究还是建立在“试错”（try and error）的基础上，这样的方式十分昂贵，也十分缓慢。此外，尽管全世界顶尖聪明的人在尝试各种可能，但一个最明显的事实就是总存在一定的障碍和限制，尤其是当你没有新的想法，而且材料系统变得十分复杂的时候。在这种情况下，我们就要寻找“a-ha”的因素，也就是让人眼前一亮的有效方法。

 

这就好比你要理解一头大象，你必须理解分子水平上它的DNA。如果你要完全理解一种材料，你就必须从原子层面上认识它们到底发生了什么，这样才有继续改进的可能。在生物学上可以利用遗传工程来改变DNA编码，而对材料科学而言，你可以通过改变组成、热处理等方面改变材料的属性。如果你知道原子层面上的事情，就可以更加聪明灵活，新的想法也会来得更快。

曾经有一个大的船体材料厂商来找我们帮忙，他们要用合金来制造抗海水腐蚀的轮船材料，而要同时具备耐腐蚀特性和应有的强度并不容易。他们用实验方法造出的合金包括10种元素，需要共50个小时的热处理才能将将达到需要的特性，而且变数很大，不好掌控。他们的问题是，如果要进一步改进这些合金，就要一共考虑14个可变量——10种元素、4种热处理温度和时间。因此，要知道一种变化的结果是好的还是不好的，他们需要进行高温载荷试验，一次试验需要大约6周。这时利用试错方法将会是难以置信的昂贵和缓慢。但如果利用三维原子探针，我们就可以将这些步骤分解，热处理每进行一步之后，根据看到的元素位置和结构，提出一些确实能够成功的改进方法，从而免去了太多太多的试验。

 

 

Smith：我创立的这家公司名叫Oxford nanoScience（OnS），专门生产和出售三维原子探针。2004年上市，现在是美国Imago科学仪器公司的一部分。实际上，牛津大学是欧洲最早开办公司的高校，它有专门的技术转化公司。牛津过去12年里共有超过50个新公司诞生，主要集中在物理、化学、工程或者医学领域。这些公司大部分已经上市，总值约为20亿英镑。你可以在各种学术杂志上看到它们的广告。

 

至于应用，虽然我们知道三维原子探针是一件我们可以做到的有用的事，但我们还是为后来出现的用户种类和数量感到惊讶。值得一提的是，在过去两年半里，我们让原子探针的性能提升了100%，一晚上我们可以对4.5亿个原子进行成像。曾经一年才能完成的实验，现在一天就可以完成。目前商业化的三维原子探针已经相当复杂，每台需要大约200万美元，但还是出售了大约36台。其中中国有1台。用户除大学外，还包括半导体和计算机产业公司、钢铁企业以及政府大的实验室。

其中最大的惊讶之一是用三维原子探针对核反应堆进行长期监测。世界上的340多座核电站虽没有二氧化碳污染，但如果它们出了问题，后果也将是灾难性的，因此它们的建造和运行需要很高的安全标准。由于核反应堆的自身材料持续暴露于强辐射以及持续的高温下，因此会缓慢地发生老化。为此，人们必须知道材料安全运行的持续时间、损耗速度以及出现裂纹的可能。三维原子探针可以对这些材料的原子尺度进行成像，观测到其中发生的极微小变化，从而为人们预警，保证核反应堆的安全性。法、德、美、英、日这5个三维原子探针的最大用户国，目前都在用它确保核安全性。这确实是我没有想到的。其他一些应用项目还包括用铝合金来替换铁作为车体材料，这样车身更轻更省能源。需要解决的问题就是保证铝合金具有足够大的强度，三维原子探针在这方面大有用武之地。

除金属材料方面的应用外，半导体产业、整合电路以及计算机硬件等领域也逐渐开始使用该技术。半导体设备正在变得越来越小，目前最小的晶体管只有60纳米，很快将会变为45纳米。一些半导体激光设备、量子点，以及读取硬盘的传感器的关键铜膜也都是只有几个到十几个原子厚的结构。到这一程度时，受限于器件的尺寸，确定单个的掺杂原子的位置就显得尤为重要。最新出现的一个领域是将三位原子探针用于催化剂研究。处理碳氧化物和氮氧化物等污染物需要复杂昂贵的催化剂，为此我们已经利用三维探针，尝试制造汽车零碳排放催化剂，此外我们也刚刚开始了一项关于燃料电池催化剂的研究计划。

 

总的来说，三维原子探针的应用的确超出了我的想象。

 

 

Smith：我在2000年至2005年间担任牛津大学材料学系的主任。我们有一种轮流带头制，因为毕竟科研才是真正让人感兴趣的地方，管理工作会让你无暇顾及并远离研究。

 

我认为学术评价是一个在全世界都饱受议论的话题。让人担忧的地方在于，政府机构往往喜欢又好又简单的评价度量方法。他们可能只关注你发表了多少论文，论文被引用了多少次。但问题就是如果你开始在一个全新的领域进行研究，可能没有任何人会引用你的文章。同样，如果你开始制造一种全新的设备，除非完成了该仪器，它能够顺利工作，否则你无法发表任何东西。因此，现在仍然令我感到焦虑的一个问题就是，一种不鼓励科学家真正具有冒险精神的评价系统会让他们变得小心谨慎。他们会希望身在一个有很多人共同研究的领域，这样引用率就会很高。

 

而我想说，看看历史，那里有很多例子。没有多少人能够在当时理解爱因斯坦的文章，因此我想他肯定没有多少引用率。而当沃森等人致力于解决一个非常非常难的基础性问题——DNA结构时，他们冒了很大的风险，并不知道能否成功。在最初的两三年里他们没有发表任何东西，这时他们突然来了“灵感”，发表了一篇文章，却改变了世界。

 

我认为科学中，领袖的部分职责就是要鼓励最有才华的年轻人具有冒险精神，勇于进入新的领域，尝试新的东西。如果只作谨慎、保守的研究，那等于科学家没有很好地完成工作。

 

 

Smith：这是另一个大问题，它部分是由于学术上的压力引起的。几年前，我有幸介入英国针对多个国家科学院的研究调查工作，结果让我们很忧虑，最大的关注是在医学研究中。我们发现证据表明，当商业组织资助药物的临床试验时，所得到的结果往往就会存在偏颇，对他们不利的结果可能被压制。而当发现物理学中存在类似的事情时，我们感到震惊和巨大的冲击。德国一个实验室就曾在纳米研究方面伪造研究结果，并且剽窃其他论文。