原创仪器研发的三大障碍

作者：鲍海飞

发布时间：2012年08月17日  来源：中国科学报 

　　一个好的实验室和研究部门离不开好的设备和仪器，而一台成功仪器设备的研发背后却是实现这台设备的物理原理、数学和自动控制方法等最有力的体现和运用。国内目前自主开发的仪器设备太少了，有分量的就更少了。我们只是一味地在买设备，长此以往，后果不堪设想。每每在实验室里，看到这个国家的设备、那个国家的设备，唯独鲜见我们自己的设备，中国制造怎么就这么难！仅从科学研究和应用的角度来说，是什么阻碍了我们的科学仪器设备的发展和技术进步，笔者试图从三个方面来阐述这个问题，主要包括物理原理、数学和集成电路等。

　　从物理原理的掌握和运用上来说，这是限制我们深入发展和创新的第一个原因。

　　举个例子。1986年，诺贝尔物理学奖授予了扫描隧道显微镜STM（scanning tunneling microscopy）研究的几位工作者， 其中之一是瑞士鲁西利康（Ruschlikon）IBM的德国物理学家格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和瑞士物理学家罗雷尔（Heinrich Rohrer），表彰他们设计出了扫描隧道显微镜。

　　STM的基本原理就是利用量子力学中的隧道效应，在金属针尖和样品表面形成隧道电流，从而实现了原子的表面成像。但是限于当时的技术条件，样品只能是导电的，还不能在非金属表面上进行成像。然而，随后的发展却更让我们吃惊，一些科学家又相继开发出能够在绝缘衬底上成像的原子力显微镜AFM（atomic force microscopy），它是以硅或氮化硅为针尖与样品表面直接接触（contact mode），施加到样品上的力小到只有几个纳牛（nN），甚至更小。这样，一下子就将测试的样品类型扩展到了几乎所有的被研究的材料表面。随后，人们又开发了多种多样功能类型的表面成像设备。从此，在微米、纳米尺度甚至原子水平上表面特性的研究进入到一个崭新的领域。由此看来，物理原理的掌握和运用实在是一个重要因素。

　　对数学的理解和运用是第二个主要因素。现代工业绝大部分技术的实施都是以计算机控制为基础，因此，需要对诸如电压等物理模拟量进行数字化，然后计算机才能够进行有效的数据采集，再对数据进行分析，光滑处理，包括滤波分析、时域分析和频谱分析等，最后输出图像等一系列过程。其中，要用到很多数学运算，傅里叶变换（FFT）、拉氏变换（Lplpace）、卷积（convulution）、相关（correlation）和互谱（cross spectrum）等。从这些分析途径中可以对信号进行频率的提取、图像的光滑处理和未来事物发展的预测等。我们每每能够看到一些设备的软件不仅界面做得漂亮，而且其数学处理真是很专业、深入又实用。现在，我们看到国内某些研发部门也都做出了不少有自己特色的软件，但能否持续开发升级坚持下去，仍是一个问题。因此，只有当从数学原理上有了深刻的认识，并应用到设备上，这才能发挥数学真正的作用。

　　第三个便是集成电路的研发与应用。固体电子学最大的成功是半导体上集成电路的成功研制，集成电路上最大的成功应用是在计算机上的发展，而计算机的发展却是带动整个网络时代发展的主要工具，并极大促进整个工业界在自动控制技术等领域中的应用。因此，集成电路的发展真正代表了一个国家科学技术发展的源动力。集成电路在摩尔定律的驱动下，已经大踏步向前，据说IBM等大公司已经开始向9nm的技术迈进。如果我们不能突破这一瓶颈，将会被越落越远。

　　这三个方面的问题无疑是制约我们科技发展和进步的主要因素，其中既涉及到软环境又涉及到硬环境。我们可能既不缺乏懂得物理原理的人，也不乏擅长数学的人，也不乏努力工作的技术人才，但是，如果没有一个很好的整合，未来真的将被越落越远。只有开发出自己的设备，才能做出真正的属于自己的科研，才能真正实现中国制造。