创新黑科技,科学利其器---从原创性科研仪器说起

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楼主 2018-12-05 15:42:35
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导读


进入DT时代以来,人类在创新探索之路上大步前行,超炫黑科技不断涌现。科学家的视野,广袤而深邃,从微观粒子到宏观世界,从地球到外太空,从夸克到生物大分子,一个个谜团都被解开。在攻克科研难题的过程中,许多天才的科学家/工程师,研制出各种创新的科研仪器,建立了完善新的表征方法与理论体系。许多研制、应用原创性科学仪器的大师,最后获得了诺贝尔奖。笔者查阅了从1901-2017年历年的诺贝尔化学奖、物理学奖、生理学或医学奖获奖成果,以下摘录部分与原创性科学仪器有关的诺贝尔奖。

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01、1901年诺贝尔物理学奖

1895伦琴递交了第一篇研究通讯《一种新射线——初步报告》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线(数学上经常使用的未知数符号X)。

1901年诺贝尔奖第一次颁发,伦琴就由于发现X射线而获得了物理学奖。

X射线的发现和研究,对20世纪以来的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。

021915年诺贝尔物理学奖 

图1  X射线衍射实验示意图

191211月,劳伦斯·布拉格(小布位格)发布了《晶体对短波长电磁波衍射》研究成果,亨利·布拉格(老布拉格)19131月设计出第一台X射线光谱仪,并利用这台仪器,发现了特征X射线。

布拉格父子因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了1915年的诺贝尔物理学奖,而小布拉格年仅25岁便获得诺贝尔奖,使他成为历史上最年轻的诺贝尔物理学奖获奖者。

031922年诺贝尔化学奖

弗朗西斯·阿斯顿  (Francis Willian Aston)因质谱仪的发明、同位素和质谱的研究荣获了诺贝尔化学奖。

阿斯顿有一句让人奉为圭皋的名言:“要做更多的仪器,还要更多地测量。”

04、1924年诺贝尔生理学或医学奖

爱因托芬因发现心电图的产生机制和改进、完善心电图仪,被授予诺贝尔生理学或医学奖。

爱因托芬出生于医学世家,从小便立志学医,而选择研究心脏课题,则与其保姆洪妈(广东人)有关。洪妈心地善良,负责爱因托芬的饮食起居,待他视如己出,从他出生起便一直悉心照料。

后来,洪妈因心脏病离开了人世,这让从小跟随洪妈的爱因托芬十分悲痛。他下定决心:毕生研究心脏病。经过艰苦努力,爱因托芬研究出心电图仪,很快便广泛用于临床,为无数患者带来了福音。

(看到这段,小编想起了杭州保姆纵火案的惨剧,哎,一声叹息)

图2 由爱因托芬的弦线式电流计记录的心电图

051926年诺贝尔化学奖

斯维德伯格((Theodor Svedberg,瑞典),发明超离心机,用于分散体系的研究。

061952年诺贝尔化学奖

阿彻·约翰·波特·马丁(Archer John Porter Martin)和理查德·劳伦斯·米林顿·辛格( Richard Laurence Millington Synge )因发明了分配色谱法而获奖。

071959年诺贝尔化学奖

雅罗斯拉夫·海洛夫斯基Jaroslav Heyrovsky),因“发现并发展了极谱分析法”而获奖。

1922年,海洛夫斯基以发明极谱法而闻名于世。 1924年,海洛夫斯基与志方益三合作,制造了第一台极谱仪。1941年海洛夫斯基将极谱仪与示波器联用,提出示波极谱法。

081952年诺贝尔物理学奖

1952年诺贝尔物理学奖授予布洛赫(Felix Bloch)和珀塞尔(Edward Purcel),以表彰他们发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现。

除了1952年的物理学奖外,与核磁相关的还包括19431944年物理学奖、19912002年化学奖以及2003年的医学奖,开创了诺贝尔科学奖授奖史的纪录。

091953年诺贝尔物理学奖

泽尔尼克(Frits Zernike),发明相衬显微镜。

101972 年诺贝尔化学奖

穆尔(Stanford Moore)、斯坦 (William H.Stein) 、安芬林 (Christian Borhmer Anfinsen),研制发明了氨基酸自动分析仪,利用该仪器解决了有关氨基酸、多肽、蛋白质等复杂的生物化学问题。

111979年诺贝尔生理学或医学奖

科马克 (Allan M. Cormack)、蒙斯菲尔德,发明X 射线断层扫描仪(CT扫描)

121981年诺贝尔物理学奖

西格巴恩(Nicolaas Bloembergen),开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析肖洛(Arthur L.Schawlow),发明高分辨率的激光光谱仪。

13、1982年诺贝尔化学奖

  阿龙·克卢格Sir Aaron Klug,因“发展了晶体电子显微术,并且研究了具有重要生物学意义的核酸-蛋白质复合物的结构”而获奖。

14、1986年诺贝尔物理学奖

恩斯特.鲁斯卡(Ernst Ruska),设计第一台透射电子显微镜格尔德·宾宁罗雷尔(Heinrich Rohrer),设计第一台扫描隧道电子显微镜。

(值得一提的是,现任中科院院长白春礼院士,在1988年也带领团队研制出了我国的第一台扫描隧道显微镜。)

151991年诺贝尔化学奖

恩斯特 (Richard R.Ernst) ,发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术,使核磁共振技术成为化学的基本和必要的工具。

161994年诺贝尔物理学奖

布罗克豪斯和沙尔因在凝聚态物质的研究中发展了中子散射技术,而获得诺贝尔物理学奖

171999年诺贝尔化学奖

  艾哈迈德·泽维尔Ahmed H.Zewail 因“用飞秒光谱学对化学反应过渡态的研究”而获奖。

182002年诺贝尔化学奖

2002年诺贝尔化学奖分别表彰了两项成果,一项是约翰·芬恩与日田中耕一“发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方法”和“发明了对生物大分子的质谱分析法”,另一项是库尔特·维特里希“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”。

19、2014年诺贝尔化学奖

美国及德国三位科学家Eric Betzig、Stefan W. Hell和William E. Moerner获奖。获奖理由是“研制出超分辨率荧光显微镜”。

20 2017年诺贝尔化学奖

2017年诺贝尔化学奖颁给雅克·杜波切特(Jacques Dubochet),阿希姆·弗兰克(Joachim Frank)理查德·亨德森(Richard Henderson),表彰他们发展了冷冻电子显微镜技术,以很高的分辨率确定了溶液里的生物分子的结构。

(近年来,施一公院士的研究团队在《科学》发表论文,揭示了剪接体结构及其工作机理,这一成果的发表可谓突破了世界性难题。施一公院士说:如果没有冷冻电镜技术,就完全不可能得到剪接体近原子水平的分辨率。这正好也验证了冷冻电镜技术的黑科技魔力。当然,先进仪器价值远不止此,当年轰动世界的DNA双螺旋结构的发现,也是因为研究出了利用X光射线去研究DNA的衍射的方法。

在中国,近年来很多重大科技成果的不断涌现,也离不开原创性科研仪器的贡献。例如,中国科学院院士薛其坤领衔的科研团队在实验中首次发现量子反常霍尔效应。在这一重要发现的实验中,许多关键部件都是科研团队自己设计、集成的。

薛其坤说:科研仪器对科学的进步有重要作用,不少重大科学发现都是科学家们在提高仪器性能或研制新原理仪器的过程中发现的。科学发展到今天,再想取得重大进步变得越来越困难。想得到创新性的成果,往往需要自己对买来的商用仪器进行改造、升级等,或者研制出全新的技术或仪器,使实验提升到一个新的高度。

在中科院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,有一间虚拟的小型工厂——小型锅炉、冶金炉、复杂的管道、管道中不停翻滚的流体……这间小型工厂是整齐排列的超级计算机产生的虚拟现实。

据介绍,过程工程研究所这套超级计算机系统,已为近10家世界500强企业提供模拟计算服务。

在中科院理化所,有一间降解实验室,里面有多套可生物降解材料全自动可控降解性能测试装置,都是拥有完全自主知识产权的原创性科研仪器,可为国内可生物降解材料的研究开发与应用评价提供有利支持和保障。

据中科院理化所工程塑料国家工程研究中心主任季君晖博士和抗菌材料检测中心主任张维博士介绍,可生物降解作为解决白色污染的思路,引起全球各国的重视,我国也不例外;生物降解塑料、降解材料成为高校、研究所近年来的研究热点之一。

材料降解速率及其可控性是生物降解材料的关键性能指标,也是降解材料研究、产业化以及应用推广过程中重要的考核指标。传统的降解评测手段耗时漫长,往往达6月以上,费用高昂。理化所通过研制过程可控、加速进行生物降解反应装置,全自动自动采样和监控解决现有评价手段繁琐、设备和控制环节较多,消耗大量人力物力,测试周期长、误差大等缺点。

仪器研制过程中,采用分别控制,精确曝气,来加快降解反应进程,提升降解效率,使过程加速可控,并提升结果的准确性;并通过系统集成,使过去需要不同环节控制的试验过程集成到一台机器上实现全部功能,提升设备的便利性和可操作性。目前成型设备可满足同时做十余组样品、单个测试周期30-60天内的要求。

装置的设计原理图

图4 可生物降解材料全自动可控降解性能测试装置实物图

看到中科院理化所的可生物降解材料全自动可控降解性能测试装置,小编感慨万千。

想当年,小编正是用传统的降解评测手段。算上仪器调试和样品准备时间,每次测试耗时都超过一学期,可怜的寒暑假因此而缩水,小编一边守着堆肥,一边流泪!!!

还好,现在中科院理化所可生物降解材料全自动可控降解性能测试装置”开始稳定运行了,可以接受对外检测服务了。此外,理化所还可以为高校、科研院所、企业提供可生物降解材料全自动可控降解性能测试装置,并负责设备安装调试和操作培训服务。仪器详情和联系方式见理化所官网(www.ipc.ac.cn),小编不再赘述。

说到白色污染与生物降解,小编想起来了前段时间很火的文章《外卖,正在毁灭我们的下一代》,同时,看到最近购物狂欢后的遍地废弃物,小编忍不住啰嗦几句:“如何尽快根治白色污染?生物降解材料,何时进入寻常百姓家?”

两位专家的意见是:生物降解材料的开发是系统工程,国内产学研界做了艰苦卓绝的努力,理化所也做了大量研究工作,并在多家企业实现成果产业化,但是,要在全社会推广普及生物降解材料,光理化所一家是不够的,还需要官产学研各界的广泛参与。理化所将具有自主知识产权的“可生物降解材料全自动可控降解性能测试装置”推广到全国各地,期待其他兄弟单位利用此装置做好检测监测/分析研究,开发出更多更好、性价比高的生物降解材料,为社会做出新的更大的贡献!

两位老师坚信,白色污染会逐渐减少,绿意盎然的春天很快到来!看到他们坚毅的目光和恬静的笑容,小编情不自禁,想起来那首《卜算子·咏梅》

卜算子·咏梅

毛泽东

风雨送春归,飞雪迎春到。

已是悬崖百丈冰,犹有花枝俏。

俏也不争春,只把春来报。

待到山花烂漫时,她在丛中笑。

5 《卜算子·咏梅》词画意境


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