篳路藍(lán)縷啟原位透射電鏡之路 篤行不息拓國(guó)產(chǎn)高端儀器之疆
——訪廈門(mén)超新芯科技有限公司創(chuàng)始人廖洪鋼
【化工儀器網(wǎng) 人物訪談】近日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)揭曉2023年度中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廖洪鋼教授、孫世剛院士團(tuán)隊(duì)研究成果“發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)新機(jī)制”入選。此項(xiàng)成果基于研究團(tuán)隊(duì)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(rèn)可，并最終成為一項(xiàng)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(duì)廖洪鋼教授進(jìn)行了專(zhuān)訪，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(xiàn)。
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(qiáng)大表征分析工具。但常規(guī)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(yùn)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(yīng)用。
早在1930年代，研究者就開(kāi)始嘗試?yán)脙善X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(jí)的分辨率，幾乎無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。直到進(jìn)入21世紀(jì)，隨著微納加工等技術(shù)的發(fā)展，用于封存液體樣品的微型液體池被成功設(shè)計(jì)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(xiàn). M. Ross課題組首次采用非晶氮化硅薄膜作為電化學(xué)液體池的觀察窗口原位研究了Cu在Au電極的電化學(xué)沉積過(guò)程。這一創(chuàng)新成為后續(xù)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(rèn)可。
2009年，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)，這種結(jié)構(gòu)將分辨率提升至亞納米級(jí)別。在此之后，鄭海梅團(tuán)隊(duì)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(yīng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任助理研究員時(shí)期，導(dǎo)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?yàn)橛辛藷狳c(diǎn)的應(yīng)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(yīng)用集中在很小的領(lǐng)域。廖洪鋼認(rèn)為，現(xiàn)在是該技術(shù)正要大規(guī)模發(fā)展其他應(yīng)用的關(guān)口，未來(lái)還會(huì)有非常大的發(fā)展機(jī)遇。
用堅(jiān)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察到了各種形狀的納米材料。當(dāng)他嘗試向期刊投稿時(shí)，卻由于提出的合成機(jī)理缺少足夠證據(jù)而遭到質(zhì)疑。這次經(jīng)歷讓廖洪鋼下定決心，要通過(guò)電鏡觀察納米材料生長(zhǎng)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?bào)以從容微笑。那些承受否定與壓力的歲月，如今已成為他獨(dú)立研究時(shí)的寶貴財(cái)富?；貒?guó)后，廖洪鋼帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了無(wú)數(shù)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(yàn)的情況下。
數(shù)十年如一日的研究最終結(jié)出了累累碩果。廖洪鋼及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了多種原位電鏡芯片反應(yīng)器及系統(tǒng)，將氣液體流場(chǎng)引入電鏡，實(shí)現(xiàn)光、電、熱、力等外場(chǎng)控制及測(cè)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(rèn)可。“我覺(jué)得最難的點(diǎn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)可能就是堅(jiān)持。”廖洪鋼這樣說(shuō)道，“在整個(gè)過(guò)程中保持好奇心，當(dāng)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(zhǎng)年地堅(jiān)持下去。如果你堅(jiān)持下去，那么遲早能克服困難，得到你想要的結(jié)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(yīng)用。在他的規(guī)劃中，這家公司的誕生將為原位電鏡的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)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(shè)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(jī)械、電子、軟件等眾多領(lǐng)域的智慧。研究團(tuán)隊(duì)中每個(gè)人的專(zhuān)業(yè)背景有限，而成立公司能夠集結(jié)各方英才，共同完善和優(yōu)化儀器的設(shè)計(jì)。此外，公司也為其贏得了更多的政府和社會(huì)資金支持，為科研活動(dòng)的持續(xù)開(kāi)展提供了有力保障。
其次，公司的成立使得研究團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)移到公司部門(mén)中，極大地減輕了團(tuán)隊(duì)成員學(xué)習(xí)跨學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)中涌現(xiàn)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(zhǔn)和高效地得到解決，從而推動(dòng)設(shè)備不斷優(yōu)化。
目前，國(guó)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(guó)內(nèi)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(xiàn)原位電鏡技術(shù)的本土化發(fā)展創(chuàng)新，為國(guó)內(nèi)研究者提供更好的服務(wù)與支持，以在國(guó)際上引領(lǐng)相關(guān)領(lǐng)域研究。
應(yīng)用落地 貢獻(xiàn)原位電鏡中國(guó)方案
自成立以來(lái)，超新芯已實(shí)現(xiàn)了原位產(chǎn)品的全系列供應(yīng)，產(chǎn)品涵蓋科研類(lèi)芯片、分析測(cè)試芯片、集成測(cè)量芯片及系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室解決方案和電鏡配套樣品臺(tái)系統(tǒng)。其產(chǎn)品已全面進(jìn)入各大高校和科研院所高端實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)，超新芯還與產(chǎn)業(yè)和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的儀器公司密切合作，共同發(fā)展中國(guó)原創(chuàng)的新技術(shù)和方法，為我國(guó)高端科研儀器國(guó)產(chǎn)化作出了突出貢獻(xiàn)。
2023年，超新芯攜手蔡司推出國(guó)內(nèi)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(duì)電子束的成像干擾、電學(xué)測(cè)量精準(zhǔn)性、液相流控穩(wěn)定性等方面的局限，實(shí)現(xiàn)樣品在液氛中電化學(xué)反應(yīng)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(guó)科學(xué)十大進(jìn)展的“發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)新機(jī)制”充分體現(xiàn)了原位液相透射電鏡技術(shù)在電池研究中的應(yīng)用價(jià)值。電化學(xué)界面反應(yīng)在近百年來(lái)通常認(rèn)為通過(guò)“內(nèi)球”或“外球”單分子機(jī)制完成，該研究揭示出存在“電荷存儲(chǔ)聚集反應(yīng)”機(jī)制，為下一代電池設(shè)計(jì)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(xiàn)有的冷凍桿和冷凍電鏡兩種原位冷凍實(shí)驗(yàn)方法開(kāi)發(fā)優(yōu)化方案，成功推出了高性?xún)r(jià)比、高穩(wěn)定性的原位冷凍電鏡解決方案。
從基礎(chǔ)研究到成果落地，廖洪鋼走過(guò)了漫長(zhǎng)而曲折的科研創(chuàng)新道路。如今，隨著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(xiàn)實(shí)，為我國(guó)科研事業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展貢獻(xiàn)著智慧和力量。
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