來源:新華社

1月13日,中科院大連化學(xué)物理研究所科研人員在調(diào)試“大連光源”儀器設(shè)備。新華社記者 楊青 攝


1月13日,中科院大連化學(xué)物理研究所科研人員在調(diào)試“大連光源”儀器設(shè)備。新華社記者 楊青 攝
“中國1月15日宣布研制成功世界上最亮的極紫外自由電子激光裝置。這一“黑科技”好似照亮微觀世界的“閃光燈”,其眾多用途中包括能讓生成霧霾的污染物分子無處遁形?!?/p>
由中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和上海應(yīng)用物理研究所聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”15日發(fā)出了世界上最強(qiáng)的極紫外自由電子激光脈沖,單個(gè)皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬億個(gè)光子,成為世界上最亮且波長完全可調(diào)的極紫外自由電子激光光源。
那究竟有多亮?峰值亮度可以達(dá)到太陽光的100億倍的100億倍。
不過你看不到。這束光在極紫外波段,而且只能在真空中傳播,一切都發(fā)生在“大連光源”100多米長錯(cuò)綜復(fù)雜的管線與設(shè)備中。
中科院院士、大連化學(xué)物理研究所副所長楊學(xué)明說,自由電子激光是國際上最先進(jìn)的新一代光源,在科學(xué)研究、國防科技發(fā)展中有著重要的應(yīng)用前景,為探索未知物質(zhì)世界、發(fā)現(xiàn)新科學(xué)規(guī)律、實(shí)現(xiàn)技術(shù)變革提供了前所未有的研究工具。
“這是世界上第一套這樣的裝置,歡迎全世界科學(xué)家來使用?!睏顚W(xué)明說。
又亮又快
隨著人類對自然界認(rèn)識的不斷深入,科學(xué)家已經(jīng)知道與人類生活息息相關(guān)的很多物理和化學(xué)過程在本質(zhì)上都是原子和分子過程,比如臭氧層空洞的形成涉及到大氣上層臭氧分子的淬滅機(jī)制;霧霾的形成涉及到污染物分子(SO2、CO等)聚集過程;燃燒過程涉及到氧原子或氧分子與其它分子的反應(yīng)等一系列過程。
“要控制或利用這些物理和化學(xué)過程,我們就需要在實(shí)驗(yàn)室里研究這些過程所涉及到的原子和分子的反應(yīng)機(jī)制,因此就需要精確并且高靈敏度地探測所涉及到原子和分子。”楊學(xué)明說。
他說,在“大連光源”極紫外光照射下的區(qū)域內(nèi),幾乎所有的原子和分子都無處遁形,因此它是研究與原子、分子過程相關(guān)的物理、化學(xué)問題強(qiáng)有力的利器。
在探測中,光源的亮度和速度是關(guān)鍵。
“亮度高,就可以非常靈敏地探測,極少量的分子或者產(chǎn)物都能看得清楚?!睏顚W(xué)明說,“速度要快,是因?yàn)楹芏辔锢?、化學(xué)、生物反應(yīng)都發(fā)生在飛秒或皮秒的時(shí)間尺度。我們不僅僅要探測微觀世界的結(jié)構(gòu),還要研究過程,到底是怎么發(fā)生的,所以只有快速的‘閃光燈’才能抓住這些瞬間?!?/p>
中科院上海應(yīng)用物理研究所所長趙振堂說:“一百年前人們爭論馬奔跑時(shí),有沒有四腳騰空的時(shí)刻。最后解決這個(gè)問題的是高速攝像機(jī)。工具快到一定程度就能把瞬間狀態(tài)捕捉。我們研制的這個(gè)裝置是能夠給分子反應(yīng)‘?dāng)z像’的工具,希望能夠解決很多前沿科學(xué)問題?!?/p>
更好理解霧霾形成機(jī)理
據(jù)介紹,“大連光源”在化學(xué)、能源、物理、生物、環(huán)境等研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。而最讓百姓關(guān)注的是對霧霾的研究。
楊學(xué)明說:“從根本上理解大氣霧霾的形成和生長機(jī)理對于大氣污染的防治非常重要。這個(gè)裝置可以探測霧霾如何從小分子一步步成長為團(tuán)簇,更好地理解霧霾的發(fā)生機(jī)理?!?/p>
專家說,大氣中的化學(xué)物質(zhì)與水分子作用之后,形成分子團(tuán)簇,這些團(tuán)簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子以及水分子,生長為較大的氣溶膠顆粒,并逐漸成長為霧霾?!按筮B光源”可以用于解析大氣化學(xué)中性團(tuán)簇的精細(xì)結(jié)構(gòu),揭示大氣中氣溶膠的成核動力學(xué)機(jī)制。
大連化學(xué)物理研究所研究員張未卿說,高效利用能源以及減少污染排放是重要的世界性問題。研究能源相關(guān)分子體系的量子結(jié)構(gòu)以及它們的功能是能源基礎(chǔ)研究的關(guān)鍵?!按筮B光源”將被應(yīng)用于燃燒過程中重要產(chǎn)物以及中間體的探測,為闡明燃燒過程中的化學(xué)機(jī)理提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
此外,半導(dǎo)體芯片技術(shù)的快速發(fā)展主要依賴于激光光刻技術(shù)。而高強(qiáng)度的短波長光源是推動半導(dǎo)體器件向更小尺寸發(fā)展的關(guān)鍵?!按筮B光源”有望為未來更小尺寸的光刻技術(shù)發(fā)展提供可靠的光源。而在生命科學(xué)領(lǐng)域,“大連光源”有望推動生物分子序列、結(jié)構(gòu)以及功能的研究。
據(jù)介紹,“大連光源”項(xiàng)目得到了國家自然科學(xué)基金委國家重大儀器專項(xiàng)的資助,項(xiàng)目于2012年初啟動,2014年10月正式在大連長興島開工建設(shè),總投資達(dá)1.4億元,裝置中90%的設(shè)備由中國自主研發(fā)。這一光源的成功研制為中國未來發(fā)展X射線波段的自由電子激光打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。