為納米尺度的科學(xué)研究插上翅膀
——記清華大學(xué)“校長(zhǎng)杯”創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽銅獎(jiǎng)項(xiàng)目“高性能掃描隧道顯微鏡”及其團(tuán)隊(duì)
研通社記者 謝 佩
首屆“校長(zhǎng)杯”創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽由清華x-lab發(fā)起并主辦，自2013年12月啟動(dòng)以來(lái)，共吸引了125支由清華大學(xué)在校學(xué)生、校友及教師組成的團(tuán)隊(duì)參賽。歷經(jīng)初選、復(fù)選、半決賽的激烈角逐，最終金銀銅獎(jiǎng)十強(qiáng)團(tuán)隊(duì)脫穎而出。張磊團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目“高性能掃描隧道顯微鏡”成功闖入十強(qiáng)，最終斬獲銅獎(jiǎng)。在基礎(chǔ)科學(xué)的高端儀器裝備制造領(lǐng)域制造出性能更優(yōu)、成本更低的高端產(chǎn)品是張磊團(tuán)隊(duì)所追尋的目標(biāo)。
開(kāi)端：“技術(shù)是被逼出來(lái)的”
圖為團(tuán)隊(duì)在獲獎(jiǎng)現(xiàn)場(chǎng)。
“高性能掃描隧道顯微鏡”無(wú)疑是本屆“校長(zhǎng)杯”創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽中科技含量和單元造價(jià)最高的項(xiàng)目。作為一種利用量子力學(xué)隧道效應(yīng)探測(cè)物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器，其在表面物理等納米尺度的科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用，當(dāng)然造價(jià)也不菲。
張磊是該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)始人兼CEO，畢業(yè)于清華大學(xué)2001級(jí)理學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)班，后前往德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從伍爾夫菲克教授從事表面物理方面的研究。張磊掌握著隧道掃描顯微鏡制造的核心技術(shù)，對(duì)市面上的各類(lèi)隧道掃描顯微鏡如數(shù)家珍，“一臺(tái)常見(jiàn)的4K級(jí)的掃描隧道顯微鏡售價(jià)為60萬(wàn)歐元”。
“我們實(shí)驗(yàn)室在研究稀土元素時(shí)希望通過(guò)一個(gè)原子的不同量子態(tài)來(lái)儲(chǔ)存信息，但兩個(gè)量子態(tài)往往相差的能量?jī)H為零點(diǎn)幾毫電子伏。若用4K級(jí)的掃描隧道顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，噪音往往都超過(guò)兩毫電子伏，將導(dǎo)致原子的狀態(tài)無(wú)法穩(wěn)定。因此這一研究需要借助更高能量分辨率的掃描隧道顯微鏡。”張磊表示，“我們自行制造具備更高性能的1K級(jí)顯微鏡完全是出于研究的需求，甚至可以說(shuō)是被逼出來(lái)的。”后來(lái)張磊所在科研團(tuán)隊(duì)在 Nature 、P.R.L.等頂尖雜志發(fā)表了十余篇通過(guò)使用該設(shè)備進(jìn)行研究的論文。
張磊研發(fā)的掃描隧道顯微鏡主要包括兩個(gè)核心技術(shù)——低溫恒溫儀及STM探頭的改進(jìn)和創(chuàng)新。張磊采用液氦向自由空間的絕熱膨脹的方法來(lái)獲取更低的溫度，他利用這項(xiàng)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)中已獲得800mK的穩(wěn)定低溫。目前張磊團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始研制基于10mK低溫恒溫儀的掃描隧道顯微鏡，不久這臺(tái)10mK級(jí)設(shè)備將會(huì)面世。STM探頭是顯微鏡的核心部件，張磊在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了熱學(xué)、力學(xué)、電磁學(xué)全方位的綜合計(jì)算和模擬，其設(shè)計(jì)出的探頭具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。使用該探頭觀測(cè)樣品時(shí)，機(jī)械噪聲幅度小于200飛米，而其電、熱噪聲水平也處于世界先進(jìn)水平。
“掃描隧道顯微鏡的研制過(guò)程真的很艱難，從圖紙的設(shè)計(jì)，每根導(dǎo)線的焊接到每顆螺絲的拼裝，都是我親自動(dòng)手。”在制造這樣一臺(tái)高性能顯微鏡的過(guò)程中，張磊也曾遇到過(guò)巨大的困難。“我從清華畢業(yè)到德國(guó)的實(shí)驗(yàn)室時(shí)對(duì)于實(shí)驗(yàn)物理還非常陌生，一切都是從頭開(kāi)始摸索”，張磊談到，“實(shí)驗(yàn)室由于實(shí)驗(yàn)意外火警就引發(fā)過(guò)兩次，還好每次都是虛驚一場(chǎng)”。
張磊在研制過(guò)程中曾遇到過(guò)一個(gè)奇怪的故障，掃描隧道顯微鏡在低溫的超真空環(huán)境下出現(xiàn)氦氣泄漏。這個(gè)問(wèn)題在常溫下根本復(fù)現(xiàn)不出來(lái)，泄露點(diǎn)找不到，張磊與伍爾夫菲克教授為此苦惱了很久，“我們當(dāng)時(shí)幾近絕望，甚至差點(diǎn)打算推倒重來(lái)”。后來(lái)張磊靈機(jī)一動(dòng)利用電吹風(fēng)模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的超低溫造成的溫差處理可疑的表面，利用氦質(zhì)譜儀終于找到了泄漏點(diǎn)。用張磊的話說(shuō)，這是他在研制顯微鏡的滾滾硝煙中最為自豪的一場(chǎng)戰(zhàn)役。
回國(guó)：探索高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的道路
“既然擁有制造如此高性能掃描隧道顯微鏡的技術(shù)，為什么不把我們的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，為廣大的科研工作者造福呢？”張磊從德國(guó)卡爾斯魯厄大學(xué)畢業(yè)時(shí)產(chǎn)生了將他們的技術(shù)推廣的想法。“掃描隧道顯微鏡是納米技術(shù)研究必須的高端科研儀器，高性能的掃描隧道顯微鏡將會(huì)成為中國(guó)在這一科研領(lǐng)域的助力。”同時(shí)考慮到中國(guó)的制造成本比國(guó)外更低，張磊決定將目標(biāo)瞄向中國(guó)市場(chǎng)。
由于對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)拓展不太具有把握，張磊找到了清華2010級(jí)MBA杜欣作為聯(lián)合創(chuàng)始人，共同創(chuàng)辦了INS NANO。杜欣在市場(chǎng)拓展、戰(zhàn)略財(cái)務(wù)、風(fēng)險(xiǎn)投資方面有著多年的工作經(jīng)驗(yàn)，和張磊也是多年的朋友。同時(shí)他們還邀請(qǐng)伍爾夫菲克教授作為聯(lián)合創(chuàng)始人和技術(shù)顧問(wèn)，導(dǎo)師的支持鼓舞并堅(jiān)定了張磊的創(chuàng)業(yè)信念。
張磊于2013年底正式組建好了創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，他的研制成果被評(píng)為張家港“領(lǐng)軍人才”計(jì)劃重點(diǎn)引進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)入中國(guó)，張家港市還為張磊團(tuán)隊(duì)提供了200萬(wàn)元的啟動(dòng)資金。“張家港市給予我們的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目以很大的支持，我們非常感激。但由于張家港本地科研資源有限，我們希望通過(guò)入駐清華大學(xué)X-lab來(lái)為產(chǎn)品推廣構(gòu)建更大的平臺(tái)。”
圖為張磊在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試掃描隧道顯微鏡零部件。
在項(xiàng)目入駐清華大學(xué)X-lab后，杜欣以聯(lián)合創(chuàng)始人的身份與清華大學(xué)物理系相關(guān)課題組展開(kāi)了交流。杜欣表示，“清華大學(xué)物理系的科研水平很高，但同時(shí)物理系設(shè)備資源仍然十分緊張，因此物理系的教授對(duì)我們的產(chǎn)品產(chǎn)生了濃厚的興趣。”多次交流后，他們就在物理系構(gòu)建一臺(tái)掃描隧道顯微鏡樣機(jī)達(dá)成了合作意向。“選擇清華大學(xué)物理系作為產(chǎn)品的發(fā)布平臺(tái)，是因?yàn)槲覀兿Ｍ覀兊漠a(chǎn)品能夠真正在科研中發(fā)揮作用，而不是僅僅作為展品陳列在X-lab的會(huì)議室中。”物理系的王亞愚教授為張磊團(tuán)隊(duì)專(zhuān)門(mén)騰出了一間實(shí)驗(yàn)室作為樣機(jī)的搭建場(chǎng)地，并為其配備了2位博士生協(xié)助工作。對(duì)此杜欣感慨道，“王亞愚教授的鼎力相助讓我們非常感動(dòng)。”
高新科技的產(chǎn)業(yè)化注定是一條漫長(zhǎng)的道路，但是張磊團(tuán)隊(duì)有著自己的規(guī)劃。杜欣表示，“我們首先希望搭建好第一臺(tái)產(chǎn)品并進(jìn)行發(fā)布，逐漸形成品牌效應(yīng)。并通過(guò)與科研機(jī)構(gòu)一對(duì)一的溝通達(dá)成更廣泛的合作意向。我們的產(chǎn)品不同于其他密集型行業(yè)，用戶對(duì)可定制性的要求很高，因此所采取的營(yíng)銷(xiāo)方式也將與傳統(tǒng)模式有所區(qū)別。”張磊團(tuán)隊(duì)將始終秉承客戶至上的理念為科研工作者做好點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的服務(wù)，在設(shè)備后期的維護(hù)上設(shè)置相關(guān)代理人，提升用戶購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品的信心，而這也是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)營(yíng)銷(xiāo)模式的核心。
思考：如何打破與國(guó)外高新制造業(yè)的差距
中國(guó)的制造業(yè)規(guī)模早已成為世界第一，但高科技制造也卻仍然與發(fā)達(dá)國(guó)家存在不小的差距，如發(fā)動(dòng)機(jī)、精密機(jī)床、精密儀器等行業(yè)在中國(guó)始終發(fā)展緩慢。對(duì)此張磊認(rèn)為，中國(guó)大多數(shù)學(xué)生缺乏動(dòng)手能力的鍛煉和相應(yīng)的氛圍是制約高科技制造業(yè)發(fā)展的一個(gè)原因。“在德國(guó)，女孩子的生日禮物是一把電鉆是一件毫不稀奇的事情。他們從小就培養(yǎng)孩子的動(dòng)手能力，長(zhǎng)大后在制造工藝上也常會(huì)有創(chuàng)造性的想法。”
“在推廣產(chǎn)品的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)一件非常有意思的事。很多國(guó)外的科研工作者不會(huì)買(mǎi)成套的隧道掃描顯微鏡，而是買(mǎi)諸如低溫恒溫儀等核心設(shè)備，他們會(huì)通過(guò)自行組裝的方式來(lái)搭建滿足需求的科研儀器。”張磊對(duì)這種“DIY精神”非常認(rèn)同。科學(xué)研究驅(qū)使著科學(xué)儀器性能的提升，而科學(xué)儀器的進(jìn)步又進(jìn)一步推進(jìn)科學(xué)研究，這種相輔相成的作用十分微妙。“只有科研工作者自己才知道究竟需要什么樣的儀器，科研工作者如果DIY自己的儀器，往往會(huì)使得研究更加高效。”
張磊認(rèn)為，“國(guó)內(nèi)和國(guó)際制造業(yè)先進(jìn)水平的差距是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到技術(shù)水平、研發(fā)投入、基礎(chǔ)科研水平、裝、產(chǎn)業(yè)工人素質(zhì)甚至文化傳統(tǒng)和企業(yè)誠(chéng)信等多個(gè)方面，絕不是很快就能迎頭趕上的，需要一個(gè)過(guò)程”。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的制造業(yè)既存在不足又在逐漸發(fā)展，對(duì)張磊團(tuán)隊(duì)既是挑戰(zhàn)，又是機(jī)遇。“我們希望通過(guò)改良自己的核心技術(shù)，來(lái)彌補(bǔ)需要進(jìn)口次要部件的不足，隨著中國(guó)制造業(yè)的進(jìn)步及一直以來(lái)的低成本，我相信我們的產(chǎn)品一定能夠在中國(guó)打開(kāi)市場(chǎng)，創(chuàng)造一個(gè)領(lǐng)先于世界的品牌。”張磊對(duì)于未來(lái)的發(fā)展充滿信心。
“中國(guó)的制造業(yè)很具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，如果能夠在工藝上有所突破，必然會(huì)讓中國(guó)的產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。”張磊與清華大學(xué)機(jī)械系助理教授劉磊展開(kāi)了合作，劉磊能夠?yàn)槠涮峁?zhuān)業(yè)的焊接工藝。在張磊看來(lái)，中國(guó)是不缺乏技術(shù)的，但是缺乏技術(shù)的整合。“通過(guò)合作等方式整合資源，將優(yōu)秀的技術(shù)有效結(jié)合起來(lái)，是推動(dòng)制造水平進(jìn)步的一個(gè)途徑。”張磊對(duì)于每一個(gè)合作機(jī)會(huì)都非常重視。
張磊團(tuán)隊(duì)的夢(mèng)想還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此，掃描隧道顯微鏡只是一個(gè)開(kāi)端。他們渴望著能夠和其他中國(guó)的高端科研儀器生產(chǎn)公司展開(kāi)合作，為科學(xué)研究提供一體化的解決方案，構(gòu)建一個(gè)中國(guó)版的國(guó)家儀器公司。讓我們期待張磊和他的團(tuán)隊(duì)，攜著“為納米尺度的科學(xué)研究插上翅膀”的夢(mèng)想，為中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)注入新的活力。
（清華新聞網(wǎng)6月5日電）
編輯：蕾蕾
