造把“放大镜”探清微观世界精细到10纳米量级

2019-07-01 14:54:17来源：科技日报

6月29日，北京风和日丽。在美丽的雁栖湖附近，怀柔科学城两个大科学装置——高能同步辐射光源(HEPS)和多模态跨尺度生物医学成像设施同日开建。一个是探测微观世界的“超级显微镜”，另一个是生命医学领域世界一流的重大科技设施。

不久前，美国能源部基础能源科学顾问委员研究报告《调控物质和能量：科学的五个挑战及展望》指出，“当前，人类已进入物质调控时代。通过更精细地认识物质(包括生命物质和非生命物质)，在原子甚至电子水平调控物质，使其具有期望的功能和性能。先进光源在其中起着关键作用”。显然，为让人类游刃于物质调控时代，中国正铸造两把“利器”。

造把“放大镜”探清微观世界精细到10纳米量级

“光越强，就越容易看得清楚。高能同步辐射光源的建筑外形犹如‘放大镜’，寓意为探测微观世界的利器，可达10纳米量级空间分辨能力。”高能同步辐射光源项目副总经理、中科院高能物理研究所多学科中心主任董宇辉在接受科技日报记者采访时表示。

“要看清楚粤港澳大桥上某个工件如何断裂，目前我们不能做到，而若模拟南方高盐、高湿、高温环境下工件的状态，用先进光源观察，可以看到其材料分子级的裂缝程度，从而可实现在其变化过程中的关键环节进行调控。”董宇辉表示，这种明察秋毫的本领适用于解决很多行业中的共性问题，可广泛应用到先进材料、航空航天、能源、医药、化工、生物工程和微细加工等领域，提供突破瓶颈问题的手段，从而推动技术创新，提升企业核心竞争力，促进相关高科技产业发展。

高能同步辐射光源项目经理、中科院高能物理研究所副所长秦庆表示：“HEPS项目是在不断研发、攻克难题中推进建设的，主要包括加速器、光束线站及辅助设施等，预计2025年建成运行，新建建筑面积12.5万平方米。”

据秦庆介绍，HEPS主加速器的周长为1360.4米，电子束流能量为60亿电子伏特，设计亮度极高。主加速器采用7BA弯铁消色散的结构单元，可实现电子束流的水平自然发射度小于60皮米·弧度，这也是第四代衍射极限光源的主要特点。这个设施将建设不少于90条高性能光束线和实验站的能力，可提供能量高达30万电子伏特并具有高亮度、高相干性等特点的同步辐射光，以及具备纳米量级空间分辨、皮秒量级时间分辨、毫电子伏特量级能量分辨能力。

据介绍，建成后的HEPS将是我国第一台高能同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步辐射光源之一。

生物医学全功能研究平台将达世界一流水准

“我们知道，同一尺寸下，显示分辨率越大，图像越小，反之越大。而多模态跨尺度生物医学成像装置可以实现显示分辨率越大，图像越大的效果。而且还可以从不同时间和空间尺度上形成‘全景图’。”多模态跨尺度生物医学成像项目副总工程师、北京大学教授孙育杰告诉记者。

孙育杰进一步解释道：“生命科学研究的对象小到分子活动，大到动植物的生长，从纳米级到分米级，从毫秒级到月、年，这就需要更清晰的成像技术。如要了解人是如何思考的，就要对人脑研究，神经网络中有10亿多个神经元，神经突触达千亿级。针对不同尺度，用显微镜看神经元细胞的大分子，用电镜技术探看神经突触，用磁共振技术观察脑部的其他活动等，然后我们通过影像技术分析及大量计算，最终把不同空间、时间尺度的研究对象模态融合成完整的立体图像信息。”

“犹如谷歌地图一样，既有整个城市的信息，又能不断放大，从北京找到颐和园路，找到北京大学，还可以记录变化过程中的细节。”孙育杰表示。

据介绍，多模态跨尺度生物医学成像设施由北京大学作为法人单位，联合中科院生物物理所建设的国家重大科技基础设施，总投资17.35亿元，预计2023年建成运行。将实现高端生物医学影像仪器装备的“中国创造”，成为生命医学领域世界一流的重大科技设施。记者华凌

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