“争取部分先超越”——姚骏恩院士谈仪器仪表的研制策略

中国仪器仪表问题系列报道（之四）

        “关于科研仪器的研制，目前我国步入了‘天时地利人和’时期。所谓‘天时’，指中国经济发展到今天，国家有了一定实力；‘地利’，指经过这些年发展，我们积累了正反两方面的经验教训；‘人和’即上上下下都认识到研制仪器的重要性。我们现在落后了，要赶上去。其中，有些可以快，但很多基础工作必须做，在短时间内是无法超越的。”伴随着我国科研仪器研制走过半个多世纪、在北京航空航天大学任教的姚骏恩院士，用这样的评语拉开了话题。
 
“国家在制定‘十一五’科技发展规划时，有关部门征求过我的意见。如今，200kV场发射枪透射电子显微镜的研制已列入国家科技支撑计划重大项目”。他介绍，希望借助“十一五”大好契机，实现这个梦，因为这是几代人的奋斗目标。
 
仪器拓展呈“迅雷不及掩耳”之势
 
“仪器技术的发展速度惊人，人们始料未及。”
 
他以显微镜发展为例介绍，光学显微镜的出现使人们发现了被称为19世纪“三大发现”之一的生物细胞，人类对自然界的认识实现了一次飞跃。然而，由于受到可见光波长的限制，光学显微镜的分辨极限约为0.2微米。诞生于1932～1933年的透射电子显微镜，利用电子束波长远小于可见光波长，使目前最先进的像差校正电镜的点分辨能力小于0.1纳米，可分辨单个原子，并可对线度为纳米量级的原子团进行结构及化学成分分析，能直接观察、进而分析研究物质微观结构与其宏观性质（功能）之间的关系。扫描电子显微镜的工作原理在1935年就已提出，它具有诸多优点，可直接观察固体表面，成像富有立体感，1965年商品化产品出现了。
 
随着技术的不断推进，上世纪80年代初，一种全新的表面分析仪器——扫描隧道显微镜 （Scanning tunneling microscope——STM诞生了。其横向分辨能力高达0.1纳米，纵向达0.01纳米。可以直接观察大气、真空、甚至液体中处于自然状态下的样品，引起了科学界的极大关注。这一仪器在表面科学、材料科学与生命科学等领域获得广泛应用。与此同时，STM仪器本身也获得了迅速发展，相继诞生了一系列在工作模式、结构及主要性能等方面与STM相似的显微仪器，统称为扫描探针显微镜Scanning probe microscope (SPM)，如原子力显微镜Atomic force microscope(AFM)、光子扫描隧道显微镜 Photon STM等，可以获得STM无法获取的各种表面结构信息。
 
姚骏恩院士说，当前，各类显微镜正以其各自的优点，相互补充，为认识世界探索微观世界的奥秘，进而能动地改造世界。如，扫描隧道显微镜不仅能够观测物质表面的原子结构，而且开辟了从小到大，从下到上制造纳米器件的新途径。这些仪器还有测量和制造的功能，把仪器和机器有机地结合为一体。为了表彰电子显微镜的创始人E. Ruska教授及扫描隧道显微镜的发明者G. Binnig和H. Rohrer博士的功绩，瑞典皇家学院授予他们1986年诺贝尔物理奖。
 
电镜研制，中国曾经辉煌
 
中国电子显微镜研制历程在姚骏恩院士眼前清晰重现。
 
他说，从1956年王大珩、钱临照先生等在制定我国《12年国家科学和技术长远发展规划》时提出研制电子显微镜以来，已经历了半个世纪。
 
风华正茂的姚骏恩，1952年大学毕业后分配到中国科学院长春光机所工作。他的第一个课题是做精密电阻箱，自己动手缠线圈，买器材。一年之后，开始研制测量微小电流的检流计，涉及电磁场、光学、精密机械、材料等多个学科。1956年他跟随王大珩院士参加《12年科学技术发展远景规划》的制定，当时国家聘请前苏联专家作顾问，他负责翻译部分俄文资料。1957 年，研究所本想派他去德国从事红外光谱仪研究。没料，德国不同意，不希望中国人学习他们这类高精尖仪器关键技术。
 
“虽然没去成，但我却有幸参加了开创我国的电子显微镜研制事业”。他补充说。
 
1958～1959年，长春光机所开始研制电镜，他主持设计、研制了10万倍大型电子显微镜。
 
他说，“回头来看，中国基础的实验仪器，竟都是在中国科学院的启动的。可见，建国之初仪器研制国家可谓‘一穷二白’。
 
1964年，长春光机所的电子显微镜研究室转并到位于北京中关村的中国科学院科学仪器厂，姚骏恩院士开始了他的“第二次创业”。在北京，他们1965年成功研制出点分辨能力为0.5(0.4)纳米的透射式电镜。
 
上世纪70年代，他在中科院北京科仪厂负责研制成功了我国第一台扫描电镜。
 
1985年他参与了中科院北京电子显微镜（开放）实验室的筹建工作，开始了他的“第三次创业”：率先在国内提出并主持完成扫描隧道显微镜的研制和生产工作。
 
1993年我国开展近场光学研究，他主持完成了我国第一台光子扫描隧道显微镜，打破了传统光学显微镜的分辨本领极限，达10 纳米，推动和促进了扫描探针显微学在中国的发展。
 
姚骏恩院士说，“到1996年为止，我国共生产制造了透射电镜316台，扫描电镜及电子探针691台，各式电镜及电子衍射仪33台，合计1040台。其中，上海电子光学技术研究所，中科院北京科仪中心和江南光学仪器厂共生产992台，约占全部数量的95％。主要指标接近或达到当时的国际水平。同时，还生产了各种扫描探针显微镜共112台。应该指出的是，20世纪80年代以前，我国生产的电子显微镜数量与进口的相当，为发展我国的科学技术和工农业生产做出了贡献，有过自己的辉煌。改革开放后大量进口各种电镜，促进了外国电镜公司的发展，而国产电子显微镜制造业却奄奄一息，现在只剩下一个研制生产单位（北京中科科仪技术发展有限公司）还在艰苦奋斗，继续生产中档扫描电镜”。
 
如今，姚骏恩院士应邀到北京航空航天大学任教。
 
他说，“这是我的第四次创业，我希望重振我国的电子显微镜制造事业；发展空间纳米测控技术，在进行太空探测时，能够用上中国自己研制的超显微分析仪器，把原子力显微镜等超显微镜放到空间，在月球、火星表面实现纳米量级的就位测量。火星上是否有生命需要靠仪器来探测和验证。如果把宇宙中的物质取回来，在回到地球再进行测量的过程中未免会受到污染，也会发生各种各样的变化。那么哪些是污染？哪些是物质本身的呢？需要去伪成真。如果把仪器放在太空直接进行原位测量，就可以减少和避免这类问题......”。
 
从落后到先进，争取部分先超越
 
“国外对中国的策略，一般情况是，你不能制造的精密仪器，他要高价，甚至不卖给你；当你有能力制造时，他以低价销售给你，打垮你，不让你发展”。姚骏恩院士一语点破中国科研仪器发展面临的困局。
 
“因此，我们必须自强自立。1956年制定《12年科学技术发展远景规划》时，关于电子显微镜，前苏联顾问建议中国不要做。因为太复杂，我们没有任何基础，最好直接购买他们的产品。但王大珩院士坚持我们自己做。1958年，我们做出来了，但稳定性不如国外产品。”
 
姚骏恩院士认为，解决产品稳定性问题不是一日之功。科研仪器从无到有，生产高质量仪器的关键在于细节，需要一整套优良的工艺标准。从材料的选择到加工工艺，每一个零部件都需要注意，每一个细节都需要精益求精，才能获得高指标、高可靠性。我们需要一个打基础的过程，而这样积累的过程是难以超越的。
 
他告诫说，“关于国产仪器质量不够稳定的问题，原因是多方面的。很长一段时间以来，我们追求的是数量，是在几年内必须完成其他国家几十年完成的工作。这使研究人员免不了在某些方面凑合。因为完不成计划，不仅是课题负责人的个人问题，而是整个团队可能再也得不到经费支持的问题。要做到精益求精应该给一些时间。在研制一台仪器过程中，即使是装一个螺丝钉往往都需要修一修。如果用的改锥不合适，螺丝钉的开口槽就会变形，而改锥使用的钢和制造工艺也需要很高才好用。例如，弹簧，看上去是一个非常简单的零件，但却很难做好。材料的选择十分重要，热处理不规范，也生产不出批量的高质量弹簧。这都需要长期的积累，包括数据的积累，并形成规范。只有全部配套，才能上台阶。政府应该允许科技人员有时间积累和细化”。
 
他说，在工厂里，一些老师傅的工具为什么不愿借给别人使用？因为这是他的工作基础，“工欲善其事，必先利其器”呀！你笨手笨脚把它弄坏了，他工作就不能得心应手了。
 
他指出，“一个人浮躁也许是他个人素质不够高，但成千上万人都表现浮躁，就应该深思，是不是评价体系、导向有什么问题？诚然，我们应该看到，这些都是发展过程中的问题，不可能一下子十全十美，只能有选择性地把某些做到满足国内需求，减少对国外的依赖，打好基础，争取一部分超越，逐步发展我们的技术特色，中国才会强大起来”。
 
后记：采写完成姚骏恩院士这篇稿件后，他先后请了三位教授为文章谈到的内容把关，然后才返回给记者。其中，商广义教授饶有兴趣地描述：
 
风风雨雨五十载，电镜研制梦相随。
 
透射扫描和探针，微观世界可少谁？
 
天地人和今又现，老中青年大有为。
 
苦干求精重实效，振兴科仪展国威。