感受科学魅力——走进北大科学家的实验室

编者按:我们常说,大学之“大”,不在于有华丽的大楼,而在于有学识渊博的大师。正如这句话所言,在北京大学的校园里,藏着一间间科学家的实验室,正在发生着揭示自然奥秘,拓展人类知识总量,甚至即将改变世界的研究。 万物复苏的春日,全新栏目“不一样的科学家”正式上线。今天,让我们先走近四位北大科学家的实验室,通过萦绕在书卷和仪器间的气场,领略他们的创新故事与科研风范。


01 读懂花粉和树轮的密语

刘鸿雁

北京大学城市与环境学院教授,主要研究方向为植被生态学与植物地理学。

逸夫贰楼外墙的瓷砖上,有岁月留下的斑驳痕迹。几十台大小不一的冰箱和冷柜,安放在通向电梯间的走廊拐角,让路过的人很容易忽略刘鸿雁教授实验室那扇小小的木门。

推门而入,里面其实别有洞天。这个面积不大,层高却引人注目的房间,既是实验室又是办公室和书房。一座高大的转角书柜直通到天花板,覆盖了房间大约三分之一的墙壁。它由教授亲自设计,以便最大限度地利用房间的高度,容纳他珍贵的藏书。在书柜正中偏下的“黄金分割点”,安放着他多年前结束“洪堡学者”研究后由德国洪堡基金会颁发的证书,上面殷红的封泥依旧崭新。在谢世100多年之后,亚历山大·冯·洪堡这位生物地理学鼻祖的精神,仿佛仍然盘桓在万里之外北京大学的这间斗室里——只有实地考察,亲手实验,掌握第一手的数据,才有可能完成开创性的研究。

在书柜对面,整合了小书架的书桌上,刘鸿雁正对着一册开本足有半人高的蒙古国自然地图集仔细研究。这片高原上的植被演替,是展示地球气候变化的一扇窗口;不过,它曾经的风貌,要由无数细小的花粉共同讲述。而在房间的另一边,仅有的一扇窗户两侧,两张实验桌上安放着计算机,还有几台不同年代的显微镜——既有改革开放初期从日本购买的“祖传”设备,又有近几年从德国购置的有一定“智能”的器材。通过这些设备,刘鸿雁和他的学生们便可以读出花粉和树木年轮承载的信息,地球气候变化留在植物界中的印记。

一位即将开始研究生学习的同学,正在一台显微镜前,分析着一些来自西伯利亚的树轮样品。这并不是一项简单的工作,因为树木生长的年轮可能出现“杂音”,会因为自然条件的影响而“不按牌理出牌”,需要在观察的时候仔细分辨。刘鸿雁深知,这些大自然的“密语”中有着很多“陷阱”,稍有疏忽便可能谬之千里。

因此,每当有学生流露出想要“走捷径”绕开复杂工作、不愿亲力亲为的苗头,刘鸿雁便会想起“Istalles in Ordnung”这句德语的深意,并且将它引为实验室的精神底色——当德国人想要询问事情是否一切都好的时候,他们用“有序”来加以强调。而科学研究的成果,正是建立在“有序”的基础之上。只有掌控研究的每个步骤,方能为成功提供保障,或是在失败之后找到原因,为下一次研究提供保障。

02 在硅晶圆上雕琢未来蓝图

黄芊芊

北京大学微纳电子学系研究员,主要研究后摩尔时代超低功耗新原理器件及其应用。

硅晶圆上蚀刻出来的触点和线路,在显微镜下如同城市的鸟瞰图。身穿皮衣和牛仔裤的黄芊芊研究员,和两位学生一起站在测试台前。如果不事先介绍,你不一定能一眼认出谁是导师。他们将晶圆上需要测试的区域停在显微镜的下方,操纵探针轻轻抵住触点,开始对晶体管进行加电测试。半导体参数分析仪的显示屏上很快出现了一条漂亮的电流曲线,说明测试对象的性能良好。

从空中俯瞰呈“日”字型的北京大学微纳电子大厦,是一栋极具辨识度的玻璃建筑;它的内部更是容纳了一座国内高校最大的超净实验室,可以提供完整的器件工艺集成实验条件。他们遵循严格的管理规则,穿着专用的超净服进入无尘实验区,在晶圆上完成一系列工艺实验。他们同时拥有各类测试仪器,可以对器件进行电流、温度、脉冲等多方面的测试分析。

黄芊芊的研究领域,是通过创新晶体管工作机理,来获得能耗更小的芯片。我们知道,现代的集成电路芯片上集成了大量的晶体管,它们通过不断地开启和关断来完成指定的任务。在晶体管开态与关态间的转换区,电流和电压的关系可以用“亚阈值摆幅”这样一个关键的参数来表征。对于传统的晶体管,亚阈值摆幅存在理论上的最小下限值,这使得晶体管以及芯片无法通过持续降低电源电压来降低功耗。另一方面,随着信息科技的不断发展,芯片速度不再是唯一的追求目标。很多现实场景中,速度能够满足需求且功耗更低的芯片反而更有优势,比如物联网节点、可穿戴式设备、生物医疗芯片等等。

为了实现这样的目标,黄芊芊通过机理创新,研制出一种全新的梳状栅杂质分凝隧穿晶体管,突破了传统晶体管在亚阈值摆幅上的限制,且器件综合性能为国际报道中同类器件的最高。达成这样的突破并不容易,在远非肉眼可见的微观尺度上进行设计与实验,需要具备非常扎实的理论和工艺基础,并对关键的科学和技术问题进行全面深入的研究。实验的过程繁复而漫长,想要取得成功,就必须始终谨慎从事,因为过程中微小的误差都可能导致功亏一篑。黄芊芊常常对学生说起自己第一次流片的经历。当时,她遇到了极为罕见的意外情况,硅晶圆材料自身存在缺陷,导致流片不得不从头返工,在此后的实验过程中也遇到了很多问题,但她最终靠着坚持不懈的努力成功完成了实验。

年仅28岁就成为博士生导师,黄芊芊最深的感受便是自身角色的转变。在学生时代,她可以沿着导师划定的大方向探索前行,努力寻求理论与技术上的突破;但成为博士生导师就意味着担任舵手,既要把握研究方向,又要及时将学生引领到正确的科研道路上来。在生活节奏越来越快的现代社会,用几个月甚至一年的时间专注于一次实验,是对年轻人的巨大挑战。因此,黄芊芊不仅是学生们学术上的导师,也同样是心态管理上的导师。在她看来,只有懂得在纷纷纭纭之中耐得住寂寞,能够坚持朝抵抗力最大的路径踏实前行,方能在硅晶圆上雕琢出期望中的未来蓝图。

03 航天器“内脏”的炼成之处

宗秋刚

北京大学地球与空间科学学院教授,现从事空间物理的教学与研究工作,主要研究方向为磁层物理、空间天气学和空间探测。

地空学院宗秋刚教授的办公室里,随处摆放着运载火箭、星际探测器、空间站等各类模型,看上去像是一座小型的航天博物馆。而在办公室斜对门的两间实验室里,他的团队正在为形形色色的人造卫星和星际探测器打造“内脏”,也就是研制这些航天器上搭载的科学仪器。

实验室的气氛忙碌而不凌乱,用于制作科学仪器原型机的印刷线路板和芯片,还有在整块金属上加工出来的外壳,都在有限的空间里各居其位。一位工作人员拿来了刚刚制作完成的线路板,它如同已经被描画好的龙,只要再加上芯片这个“点睛之笔”便可以苏醒过来,成为研究地球磁暴起源的全新科研仪器的核心。在他的工作台旁边,一扇厚重的铁门被牢牢锁住,挂着“禁止入内”的标志,里面是一个超净间,处理芯片的关键步骤要在这里进行。

走出实验室,来到团队的会议室,两个普通得有些简陋的铁柜里陈列着一件件航天器的原理样机。它们并不会直接搭载在航天器上,而是提交给拥有制造资质的单位,以此为“模板”制作实际搭载的载荷。就在这场采访进行的时候,它们的复制品已经搭载在“风云”系列气象卫星和“北斗”导航卫星上,实时监测着复杂多变的空间辐射环境。

宗秋刚的主要研究领域是地球磁层中能量粒子的产生机制。而他与这个领域结缘要追溯到20世纪80年代末他前往南极洲参与中山站建设的时候。夜晚的极光如同天空中垂下的帘幕,大自然勾勒出的这一幅幅美景吸引着他走进了空间物理的研究领域。

地球周围的充满了高能带电粒子的区域,被称作辐射带,关于能量粒子的产生机制,宗秋刚解释说,这个过程就像屈原在《九歌·河伯》的开篇所写的那样:“与女游兮九河,冲风起兮横波。”(我和你畅游在九河上,大风吹过河上起波浪。)太阳风的“吹拂”,最终成为能量粒子被加速的动力。目前,大约98%的航天器都运行在地球辐射带覆盖的范围内,而“杀手”电子(能量大于100千电子伏特的电子)可以穿透航天器的蒙皮,永久损坏它搭载的电子元件,严重威胁着这些航天器的安全。随着空间科学和空间技术的不断发展,预警和规避这种空间天气灾害逐渐成为可能,这也是宗秋刚的实验室里正在努力做的事情。

回到宗秋刚的办公室时,开门的风激起了一阵哗啦啦的响声。原来在门边的几排挂衣钩上挂满了上百个学术会议的胸牌,上面用不同的语言写着会议召开的时间和主题。宗秋刚说,这些胸牌如同他的日记本,无暇写日记的他只要翻看它们就会回想起学术会议上的一幕幕场景。岁月如梭,宗秋刚已在空间物理领域深耕30多年,他和他的实验室更是未来可期,正如他们定制的衬衫上,用不同语言写着的“我们的征途是星辰大海”。

04 三间陋室里的“电池王国”

郭少军

北京大学材料科学与工程学院博雅特聘教授,英国皇家化学会会士,重点研究燃料电池、氢能与储能电池。

郭少军教授的实验室,设在北京大学圆明园校区的一栋二层小楼里。3个大体排成“品”字形的房间,占据了这栋楼二层的一角。在其中一间实验室里,离心机、电炉和其他一些实验设备的电机,不断发出粗重的颤音,如同电池耗尽的录音机在播放磁带上的蜂鸣。空气中弥漫着高温烧结材料引发的难以名状的气味。但没有人可以否认,这似乎不太适合接待访客的处所,却蕴含着电池的未来。

现代生活很大程度是建构在电池之上,比如锂电池,其为移动电话、笔记本电脑和其他一些电子设备提供电能,也为现在越来越流行的纯电动汽车所用。然而,锂电池储存电能的效率急需提升,充电时间也需要加快。相比之下,氢燃料电池便成为一种异军突起的选择,它通过氢气和氧气的电化学反应来产生电能。不过,即使氢燃料电池大展宏图,锂电池也仍然有用武之地。

由3间陋室组成的“电池王国”,就代表着郭少军对这种发展趋势的看法。他和学生们致力于氢燃料电池领域的攻关,也在尝试研制新的锂电池材料,以及介于传统锂电池和燃料电池之间的“锂-空气”电池,因为它们在未来世界都将各尽所能。

在其中一间实验室里,一具硕大的手套箱占据了一角的空间。它的内部充满了氩气,想要将试剂送到里面,需要经过两道气密闸门,就像离开宇宙飞船进行太空行走的宇航员,在穿好航天服之后还要穿过特制的气闸舱一样。氩气可以让锂和钠这些极为活泼的金属不至于自燃或是爆炸,而是成为可以直接上手操作的实验素材。

在手套箱的对面,一个个像是服务器的测试箱里,安放着一枚枚CR2032架构的电池样品。这种在电子词典上很常用的纽扣电池,此时其实只剩下外皮,里面早已“脱胎换骨”。经过不断的充放电实验,更有应用前景的电池新材料便会脱颖而出。

燃料电池与氢能是郭少军老师的核心研究方向。郭少军几乎不愿意谈论他在美国的科研经历,因为氢燃料电池的几个主要模块,时至今日仍然是中国面临的“卡脖子”技术。而作为它的“心脏”,完成电化学反应的膜电极就更是如此。在这个领域取得突破,无疑要比追溯往昔的成就更有吸引力。

膜电极包括了催化剂、气体扩散层和质子交换膜,而催化剂又是核心中的核心,直接决定了电化学反应的效率。目前,最好的燃料电池催化剂体系是使用自然界中储量很少的铂(白金)。郭少军的团队想要达成的目标,便是将每个车用燃料电池的铂用量,从目前的30~40克减少到5克。这是因为,传统燃油车的尾气处理装置里,会使用5克铂催化剂。氢燃料电池汽车显然不需要处理尾气,所以,如果它的铂用量能减少到与燃油车持平的程度,便意味着它将会大展宏图,使人类收获清洁出行的未来。而郭少军的团队正在进行的工作,会使中国在这个领域占据优势。

延伸阅读

北京大学融媒体中心联合科学研究部共同推出全新品牌栏目“不一样的科学家”,以生动细腻的文字记录科学家们的工作内容,以极具风格的拍摄手法呈现科学家的工作状态;为读者讲述科学家的故事,展现严谨高深的科研背后的趣味与温情。

未来,栏目将持续更新,陆续推出为他们量身定制的个人报道。让我们一同期待与北大科学家们的相遇。


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