细如发丝、宽度仅0.5毫米的音叉,是qPlus(品质因子增强)型扫描探针显微镜的核心部件之一,也是易耗品。此前,这款显微镜的整机和耗材均依赖进口。“为什么不能自己做?”凭着一股不服输的劲头儿,北京大学物理学院教授江颖带领团队前后花费近10年,从零开始自主研发,搭建起国产qPlus型扫描探针显微镜样机。
将频移的信噪比提升两个数量级、利用一氧化碳分子作为原子级探针、让音叉在低温真空环境下以皮米级的振幅稳定工作……样机设计完成后,江颖将相关专利转让给位于怀柔科学城的中科艾科米公司,由企业开展后续的成果转化。
“一开始我们以为把研发经验分享给企业团队,产品很快就能成型。”让北京大学物理学院特聘研究员田野没想到的是,从样机到量产竟又用了大半年。以线材为例,一条小小的导线,竟会干扰显微镜的信号,为了排除这个问题,他和企业团队耗时几个月,反复尝试,最终确定必须用一款有屏蔽功能的线材,才能有效过滤外机的噪音。
显微镜的设计细节还在持续优化。“显微镜的前期研发,更多的是从实验室角度考虑,以科学问题为导向进行研究。但走向产业化,我们就要考虑如何让用户更好地使用这个设备。”田野说,以显微镜的力传感器为例,团队重新设计了机械式插片的装配方式,并形成专利,大大降低了设备的使用难度,提升了适用范围。
完成商业化转身的首台qPlus型扫描探针显微镜,已经在怀柔科学城的轻元素量子材料交叉平台投入使用。利用这台设备,江颖团队得到了世界上第一张清晰的冰表面结构原子级“定妆照”,并产出了一系列顶尖科研成果。现在,这款显微镜已经获得10余份订单,随着产品的陆续交付,重量级的科研成果将很快产出。
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