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2023达摩院青橙奖获得者杨宗银，如何研制出的世界最小光谱仪

2023.12.29

　　“肉眼所见的世界，并非真实的世界，只是红绿蓝三色在我们脑海中的投影。”1666年，牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到更多光谱色，这个实验推动了光谱仪的诞生。凭借光谱仪这一工具，人类掌握一种新的精确探测物质的能力。

　　300多年后，一位来自中国浙江的年轻学子负笈剑桥，来到牛顿曾灵感迸发的地方。在这里，他突发奇想，希望研制出一种新型的纳米线材料，进而突破在微米尺度上实现大光谱范围色散的科学难题，解决传统光谱仪小尺寸与高性能无法兼具的挑战。他就是2023达摩院青橙奖的获得者杨宗银。

　　12月27日，2023达摩院青橙奖获奖名单正式公布，作为获奖的15名青橙学者之一，杨宗银将获得可自由支配的百万元奖金。达摩院青橙奖旨在发掘和帮助更多对科技进步有重要推动作用的35岁以下中国青年科学家，鼓励他们在重大科研攻坚中挑大梁，发挥榜样作用，带动更多人关注和投身科学研究。

　　“世界上最先进的材料合成，

　　最高超的实验技巧，

　　最巧妙的算法”

　　杨宗银现任浙江大学信息与电子工程学院百人计划研究员，主要研究方向为半导体光电子传感器。在杨宗银的桌子上放着两台光谱仪，一台像个老式电视机，一台只有饮料瓶盖大小。而就是这样一个只有饮料瓶盖大小的器件，杨宗银前前后后研究了8年，这其中还有着失败了150多次的崩溃。

　　光谱仪在科研和工业生产中应用广泛，大部分光谱仪体积庞大，工作原理仍和牛顿当年的实验相似，但已无法满足日益发展的光谱应用技术的需求。因为减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱仪检测质量显著下降，所以光谱仪微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。

　　杨宗银研发的微型光谱仪尺寸仅几十微米，不需要孤立的分光和探测元件，是目前市面上最小光谱仪的千分之一。更值得关注的是，与动辄上万元的光谱仪相比，这款微型光谱仪价格低至50元以内，通过进一步开发，可内嵌到手机、无人机以及可穿戴设备中。未来，用手机扫一扫，检测一下蔬菜瓜果农药残留，“读出”牛奶里是否含有三聚氰胺，血糖指数随时无伤检测……这些科幻片里的情景，很可能变成现实。

　　回顾那段岁月，杨宗银每天都是剑桥大学电子工程系实验楼最晚走的那个人，“很煎熬也很值得”，这也为其日后培养沉下心来做科研的品格奠定了坚实的基础。

　　但那时候，杨宗银也不是没有过动摇，“每天晚上大概10点做完实验，骑车穿过灯红酒绿的剑桥市中心，看到大家都穿得很漂亮在酒吧放松，也会想自己是不是没有融入当地生活。但一想到，如果有可能把这个科研做出来，就能开拓一个新的领域，就很兴奋地骑车回家，然后第二天又信心满满地去实验室。”

　　杨宗银也经历过至暗时刻，2018年的他在失败了150多次后陷入了自我怀疑，有半年时间他一度停止了实验。但他内心还有不甘：“三年的努力难道就这样白费了吗？”而转机就出现在一个平常的早上，杨宗银在晨跑的时候和另一个系的跑步搭子聊起了最近的烦心事，朋友听完后问他：“会不会是某个算法出现了问题？”杨宗银突然好像见到了曙光。

　　2018年8月，在一个周六的晚上，杨宗银在实验室测量到了信号，有点不敢相信自己的眼睛，验证了多次都和商用光谱仪测量结果相符。他在日记中写道，“那一刻百感交集，想到这几年的种种经历，一个人在实验室呆坐了好久好久。”

　　可喜的是，他的论文于次年5月投稿给Science杂志，7月便被接受。Science的编辑评价这项成果是“世界上最先进的材料合成，最高超的实验技巧，最巧妙的算法”，杨宗银的科研成果也让中国在光谱仪微型化领域走在了世界前列。

　　“理论型的科学家为人类开拓边界，

　　应用型科学家则通过制造工具造福社会”

　　“我从小就喜欢做电子机械相关的一些研究。最喜欢的动漫是机器猫，哆啦A梦。我觉得创造更多好玩的发明是我人生的追求。”杨宗银出生在温州苍南，小时候的他也是个让人头疼的“破坏大王”。

　　因为当时物质条件不太丰裕没有玩具，他就以拆电器制作小发明为乐。为此，他也没少挨父母批评。他总是会把家里收音机、闹钟甚至电视等拆开，研究其中的机理。

　　“其实很多时候是因为没有配件店，所以只能拆东墙补西墙。”他制作出的随着光照自动响的闹钟，河里可以自动开起来的小船，光控灯等，都是他童年自娱自乐的小玩具。

　　杨宗银从小对各种科学问题充满兴趣，在他看来，科学家是一个很好的职业，有兴趣也有能力去做一些探索未来的工作。“理论型的科学家为人类开拓边界，应用型科学家则通过制造工具造福社会。”

　　循着梦想的轨迹，他考上了浙江大学机械系本科，硕士保送到心仪的光电子研究领域，随后拿到了全额的奖学金赴剑桥大学读博，并接过牛顿的思考，推动光谱仪进入到纳米时代，有可能创造出更大的技术应用前景。

　　他总结称，小时候做机械的想法，并不是对科学的全面认知，当时对科学的理解就是目之所及的电路，但当认知边界扩展后，他想做出更多前沿科学成果，而这些想法，也为他造出“世界最小纳米光谱仪”打下了基础。

　　“当时去到剑桥，看到那棵砸中牛顿的苹果树后代就种在剑桥三一学院门口的时候非常激动。”杨宗银说很难用语言表达当时的震撼，那一刻自己离梦想中的科学家这么近。“当时发表的那篇Science论文，剑桥大学新闻稿标题就是‘超越牛顿光学实验的极限’。在牛顿光学的基础上做得更小，我确实是有受他这个启发，而且我成功的地点刚好是在剑桥，觉得这也是冥冥之中有所关联的。”