意昂体育2平台物理系教授  陳瓞延

 

    單個原子、分子測控科學與技術在國際上稱之為分子納米科學或量子工程(1納米=1nm=10^-9m=10億分之一米👰‍♂️，即毫微米)，是20世紀末出現並形成的一個基礎研究前沿學科。由於物質👩‍🦰、材料的宏觀性質與特征是依賴於原子🧜🏿、分子水平的極細微的結構🤾🏼‍♀️💸，以及在合成時極短時間內的過程特性🧝🏻‍♀️▶️。因此，要通過對單個原子🧙🏻‍♂️、分子和納米粒子的探測✊🏽、識別💴、操縱與控製,研究在0.1nm?D100nm尺度的極細微領域內物質具有的特異現象與功能🧑🏼‍⚖️，以加深對物質的認識，並推動研製新的物質材料和新的功能器件🌇。它是比納米科學技術更深一層次並與之銜接、融合的基礎性新學科。因為，納米尺寸的物質能表現出特異的現象與功能🧆，而它們的表象機理只能在原子分子的層次中闡明。也就是說，要說明並控製、利用納米尺度內物質具有的特異現象與功能👨🏼‍🔬，就必須在分子👩🏼‍🦳、原子甚至電子的層次上闡明它的機製。

 

    國際上稱它為廿一世紀的前瞻性科學與技術。因為，21世紀將是在量子物理學基礎上建立起來的“原子時代”🧜‍♂️，新世紀高科技發展浪潮的重要特點之一就是“將發生一場分子革命”；“納米科技將改變未來,推動科學變革”。預期它的發展將會在新世紀中引起經濟社會出現新的飛躍。特別是對於所謂廿一世紀的科學技術?D?D信息科學、新材料科學、分子生物醫學和自動化技術的大發展，它們共同的發展特點是結構尺度納米化和功能智能化💥，它們都迫切要求對此極細微領域的現象與功能進行實質性的基礎研究，並期待單個原子、分子測控科學的（技術🙌🏽👩‍🎤、方法和理論）新進展與成果轉化；因此💇🏻‍♂️，它是跨世紀高新科技發展的基礎之一。

 

    此領域的關鍵技術和新方法以及相關理論的發展極其迅猛。各先進工業化大國競相開展此領域研究與開發工作🫃🏽，並將之列為跨世紀戰略性高科技基礎研究項目。這表明此項基礎性研究“一旦突破可帶動新產業革命”🖼。

 

    我國是一個經濟力量有限的發展中國家😢，要主動地適應並推動這個科技“納米化”世紀的到來，大力開創和發展這項新的基礎研究工作👩🏻‍🏫，必須考慮尋找突破口和發展的支撐力量🔓💁🏻‍♀️。為此👫🏻，就要求研究工作即是能促進相關學科的基礎研究🛀🏻，又是能應用於信息、分子生物醫學🥞、資源與生態等領域中有關的重大應用課題研究，即學科前沿交叉🤎；要與國家目標密切結合，既處於科技發展的前沿，又能在國民經濟建設的重要領域中有積極的推動影響和貢獻🆘；並且是一個高層次培養優秀人才的基地──這是一個國家高科技力量可持續性發展的根本🤧。

 

    基於上述背景🦹🏻，我們開創的第一步──建立一個先進的前沿學科研究基地：在極端困難的條件下，創建了我國在此學科領域的第一個研究基地─《單原子分子測控教育部重點實驗室》。經過16年的艱苦工作歷程💷，發展了與原子⬇️、分子、直至納米尺度微觀客體測控相關的實驗方法和理論體系🫳🏼🫵🏽，促進了相關學科的基礎研究🍕；其成果已經或正在應用於資源與生態環境、信息🤵🏿‍♀️、分子生物醫學工程等領域中有關的重大應用基礎性研究。將實驗室建設成為一個面向國家目標開展基礎性研究和培養人才的基地。

 

    在如何將這項戰略性的應用基礎性研究工作結合我國的國情求得發展與支撐的問題上🔘，實驗室大膽地（當時甚至被認為是“奇想”首先提出了將極微觀化的激光單原子🏃🏻‍♀️、分子探測（LSAMD）高科技與宏觀化的生態系統（資源與環境）可持續性發展科學相結合，面向國家經濟建設中重大需求課題的學術設想和方案🟣，並且在經歷了艱難的論證工作歷程之後，終於在實踐中取得成功➛，打開了LSAMD應用的突破口。自1985年迄今，實驗室負責並主持了國家“七五”和“八五”重點科技攻關項及國家“九五”海洋領域“863”計劃項目；攀登計劃（A）課題；國家自然科學基金委主任基金項目和國家教育部重點項目等約40余個項目、課題；並承擔了211工程項目和“985”工程重點項目（意昂体育2平台建設一流學科項目）👮🏻‍♂️。以現代化的技術手段從事前沿的應用和基礎性研究工作🏊‍♂️，為跨世紀的發展準備了重要的基礎。

 

    在學科建設中（包括理論體系、實驗方法和相關的技術），我們取得了一些突破性的進展👨🏿‍🦲💳，並取得若幹國際先進和領先水平的成果：

 

 

    在基礎研究方面，我們主要對原子分子結構與動力學研究做出了貢獻➗。

 

    研究了解目標原子◽️、分子的結構，以便能更好地測控它們，這就直接涉及原子、分子高激發態結構研究，旨在揭示在”“場”的作用下高激發態結構及其反應的動力學過程🧛🏽，闡明它的物理（與化學）本質，這是實現在“單個”原子👩‍👩‍👧‍👦、分子層次上探測✍🏼🧒🏿、識別➕、控製的物理（化學）基礎👨🏼‍🚒，是當今國際上原子、分子物理的前沿。

 

 

    在當前國際上十分活躍的高難度研究領域─基於激光激發的復雜原子雙電子高激發態研究取得了重要的成果。在國際上

 

·首次獲得了第二電離閾附近純的稀土原子雙裏德堡態譜；

 

    ·首次給出了原子雙裏德堡態相對激發截面的定量結果。提示了軌道雜化在原子雙裏德堡態中的重要性和普遍性👨‍⚕️，充分展示了電子關聯效應動態演化過程；

 

    ·研究了堿土金屬原子雙裏德堡態的自電離過程✶，在國際上首次提示了原子雙裏德堡態的自電離規律。采用了新的理論研究方法👳🏻‍♀️，結果與實驗結果完全符合。這是目前國際上關於復雜原子雙裏德堡態動力學過程方面最新的研究成果；

 

    ·在實驗方法上還首創用一臺準分子激光泵浦五臺染料激光研究復雜原子雙裏德堡態的先例👩🏻‍🦳；並發展了具有特色的多光子電離能譜實驗方法🙅🏻‍♂️，克服了國外實驗方法中所存在的重大難題，正是由於研究方法上的創新🤾🏻‍♂️，在原子高激發態研究中處於國際領先地位👏🏽。

 

    這項研究促進了解長程庫侖相互作用三體量子體系🤞🏿；了解三價重金屬原子的三重激發態及其退激的動力學過程，並由實驗結果發展相應的半經典計算方法🏌🏽，加深了對三重激發態自電離物理機製的認識。對於原子物理的發展具有很重要的理論的和實驗研究的意義🫄🏼，研究工作納入了國家“攀登計劃”項目。

 

 

    ·首次發現和研究了雙電子激發態和裏德堡態的重要區別，改善了分子電子態光譜研究方法並推動量化計算的發展；分析研究了三重態的超精細結構以及激發態分子的動力學行為，發現並闡明了超精細結構來源於成鍵的σ電子😊。J.Chem. Phys審稿人評價為：“這是一個重大貢獻”😂；

 

    ·把分子的裏德堡態劃分為核實貫穿型和核實非貫穿型，並證明這兩類電子態具有極不相同的特性☦️；新觀察到很多高電子激發態😻。根據我們的理論🐗⤴️，正確地對觀察到的電子態進行了歸屬，並從實驗上驗證了他們分類的意義🎀。

 

    ·首次實驗觀察到分子的裏德堡態的三類典型的預解離過程🧑🏼‍✈️，並進行了定量分析。在理論上，建立了一個統一處理裏德堡態自電離和預解離過程的方法。研究了三類典型的頸解離過程，得到了和實驗相符的結果。

 

    ·首次觀測到電磁場誘導的光透明現象🦅，並證明這一現象的產生是由於分子能級權居分布的相幹控製引起的。

 

    此項研究工作已納入國家重大基礎研究規劃“973”項目中。

 

 

    ·研究了分子的高激發振動態所具有的量子的性質及其對分子的混沌運動的影響；證明了簡正或局域的概念在統計意義上的有效性；

 

    ·運用陪集表示獲取勢能面方法研究了高激發振動態的多維動力學行為性，重點探討了費米共振與模間耦合的特點與動力學行為👱🏽‍♀️；

 

    ·提出了從拓樸大範圍的角度來看待分子高激發振動態的多維動力學行為，指出了高激發振動態能量傳輸的時間演化具有分形的特性。

 

 

    自行研製成功我國第一代六套五種類型的超靈敏高分辨儀👭；探測靈敏度達到國際領先或先進水平，為實現在“單個”原子分子層次上的超靈敏探測研究目標，提供了先進的物質基礎。

 

    在資源和環境科學領域的應用基礎性研取得重要的突破👩🏼‍🚀。八十年代初期📉，我們首先大膽地提出了一個全新的科學設想，亦即將激光單原子探測超靈敏的觀測手段觀測地表氛圍（如，土壤隙中氣、地表大氣環境）或水系（地表水與地下水）中貴金屬極微含量異常分布的方法⬜️，應用於地下深部的貴金屬（黃金、鉑等）礦藏的勘查的設想與方案，以大幅度地提高黃金等稀貴金屬礦藏的普查效率和經濟效益（大量減少地下深層鉆探工程量）。這被認為是地學和找礦學方法論突破性的設想🏒。由於他國在國際上首次將土壤中氣態的npt（ l0^－12👩🏼‍🚒，即萬億分之一）量級的極微量金及礦體顆粒金的縱向形態分布測量出來🪒，為實現此科學設想奠定了技術基礎。經過與地學界的共研和不斷地深入論證性工作，肯定了這種設想和方案的科學性與可行性，以及對地學（找礦學和成礦學）的重要意義🧗🏻‍♀️。在地礦部和國家科委的支持下🚿👳🏼，納入國家“七五”“八五”科技攻關計劃和國家黃金專項。   成果被國家驗收組認為：“在總體上達到國際先進水平”🧽；“為地球化學探礦方法研究開創了新途徑🤵🏽，在研究思路和具體方法上達到國際先進水平”。

 

    地球環境科學方面，在國際上首次將南極大陸冰蓋層中重金屬元素鉛（人類社會活動造成環境汙染的重要標記）極微含量精確測定出來了💁‍♀️。為建立南極大氣模型提供了依據。並了解了近代人類社會活動汙染環境歷史的變遷😗；他們還測出鉑族原素Ru/Ir相關性值🤣。為6500萬年前導致恐龍滅絕的小行星撞擊地球的重大天體事件提供了重要證據。

 

    在海域大陸架，他們將此已得到驗證的技術設想進一步延伸👳🏿，從陸地應用（地表環境；深部貴金屬礦藏）發展到淺海大陸架應用（沉積物來源）👩‍👩‍👧‍👧，再發展到海底深部應用（勘查油氣藏）🙇🏻‍♂️。

 

    成功地完成了國家科技攻關項目《激光單原子探測技術在大陸架海槽沉積特征及物質來源研究中的應用》任務。此項目具有重要的科學、社會經濟價值和涉及捍衛國家主權的重要意義。國家驗收組認為“本專題取得了一些突破，達到國際領先水平”👯‍♂️。

 

     再發展到海底深部⭕️：在上述工作成果的基礎上，首次提出（在國際上亦屬此）將“單原子、單分子探測高技術應用於海洋油氣資源勘查”的新設想和方案🎢，並負責主持國家“九五”海洋領域“863”計劃項目《激光單原子、單分子探測高技術應用於海洋油氣資源勘查》。這是極細微尺度研究領域高科技首次進入跨世紀的海洋能源開發科技領域🤵🏿。這也是極富挑戰性的前沿探索課題。項目實施的初步結果證明🧑‍🦽，這個大膽的科學設想是成功的👩🏼‍🍼。科學家認為“這將推動探索解決新世紀石油儲備的問題”，具有重要的戰略意義🕥。

 

    開辟在生物醫學領域中的應用基礎研究是實驗室重要研究方向之一。

 

    國際上學術界認為，2l世紀物理學在生命科學領域將引起另一場革命。“分子納米技術將給醫學帶來變革”🦘。因此，必須將物理科學與生物學緊密地結合起來。近五年來，這個實驗室積極地將單分子探測與識別的新技術新方法結合到生命科學領域中?D特別是生物學和醫學的應用研究🧎🏻‍♂️‍➡️。

 

    這個實驗室強化了對生物大分子的測控研究，將原子分子測控科學中發展出來的新技術新方法（如：光學相幹CT技術、分子雷達技術💁🏻‍♂️👳🏻、單分子探測及單分子光譜技術等），應用於活細胞內的原位、實時動態生物學過程👳🏻‍♀️，活細胞膜內外生物分子間的相互作用，細胞間液中生理活性物質的動態變化，以及相應的在組織層次的表象和性能研究。

 

    ●研製成功我國第一臺光學相幹CT

    它是九十年代中期出現的基於新型原理的層析概念，它能進行微米級高分辨的精細活體層析成像。OCT使人們第一次既能對活體表層進行層析，又有能力深入到人或動物的血管以及其它器官內部，以視頻速度和接近光學衍射極限的分辨率進行三維成像。在疾病的早期診斷，以及藥物療效和手術效果實時監測等領域已經顯示出廣闊的應用前景。其功能特點被認為是CT技術的一次“革命性”的發展。這個實驗室已在國內此領域的競爭中占據了領先地位👨🏽‍✈️。於1997年底成功研製出了第一個OCT原型機。並獲得了我國第一張生物微組織斷層層析的OCT圖像（10 微米級高分辨率，比現今X光CT高近千倍）🫴🏽，其後又作出一系列的表層層析圖像🚣🏽‍♀️🔃，並在國防和工農業等許多領域取得了重要應用👿。尤其是🤦‍♀️，進一步研究了OCT的圖像重構🤦🏿，使得OCT的圖像分辨率提高了一個多量級🔫，達到亞微米🧑🏻‍🎄，可以更有效地和生物細胞內成像結合👾，形成又一嶄新的“介入”診斷手段🛃。

 

    ●研製成功我國第一個分子雷達（MD），並取得了一些好的應用研究成果。分子雷達就是能夠在分子層次對活細胞內生物過程進行原位🗄、實時觀測的一種高新技術手段🛌🏼，它的主要特點是能夠獲得活細胞內生物過程的空間和時間分辨信息𓀏，並能夠對同一生物體系中的同一生物過程同時進行多參數復合測量。

這個實驗室於1999年研製成功我國第一個基於新型原理的分子雷達原型機🤽🏽‍♂️；實現了活細胞內部生物成分動態成像和活組織三維🏋🏼、四維的深層成像👩🏿‍🏭，並在模擬生物體系上實現了熒光關聯譜測量。工作進展迅速☀️，已經在交叉領域獲得了好的成果。如，他們在國際上首次成功的將納米粒子轉染的天花粉蛋白進入細胞核內；首次從實驗上觀測到胚胎內活細胞八分裂階段緊密化前後的旋轉現象的全息三維圖像↖️；…🦀。得到國際學術界的肯定和積極評價🛜，認為是“第一次成功的將半導體量子點轉染進入細胞內；這將積極地推動治療HIV（愛滋病）和癌症藥物的發展”。

 

    ●我們首先提出了將分子雷達（MR）與光學相幹CT相結合成為一體的MR－OCT系統概念，研製成功第一個MR－OCT一體機。將兩個機理和功能概念不同的東西有機地結合為一個新的功能系統，實現了將兩個不同層次的生物學信息銜接起來，從而促進了將微觀（機理性）層次的與宏觀（功能性）層次的生物學信息鏈銜接起來，這對於生命科學（和醫學）研究具有重要意義。

 

    ●單分子探測技術研究：實現了探測靈敏區內熒光染料分子的探測靈敏度達到單分子量級。用飛秒激光對CdSe納米粒子進行雙光子激發熒光探測🦹🏼‍♂️，觀測到標記在蛋白質分子上單個CdSe納米粒子的圖象。為單分子探測方法進入生物醫學領域打下了重要的基礎。

 

    自實驗室成立以來，經過全體實驗室成員的不懈努力，也獲得了許多榮譽🙋🏼。先後獲得國家教委科學技術進步獎（甲類）一等獎（1995年）🧗🏻，二等獎兩項（1991年✪，1998年）◽️；國家計委🔃、科委和財政部聯合頒發的《國家“七五”，科技攻關重大成果獎》  （1991年）；《國家“八五”科技攻關重大成果獎》（1996年）；新疆人民政府特別表彰獎（1988年）；美國《C＆EN》《中國十大科學新聞第二項》（l992年）；歐共體聯合研究中心第5屆國際《RIS＆ItsApplication》學術會議最優研究論文第三名獎（1990年）💁‍♀️；《China  Dailv》《1991年度中國十大科學新聞》。

 

    1991年，以王大珩院士為主任的國家鑒定驗收委員會認為🐩：堅持自力更生、艱苦奮鬥的精神🏄🏻‍♂️➾，在比較短的時間內。建成我國第一個具有八十年代未國國際先進水平的🩲、具有新型研究裝置的激光單原子探測研究實驗室🔋。在有關的基礎研究方獲得了達到國際先進水平的研究成果。以上成果的取得是我國科技界的一件可喜的事。1995年，國家教育部專家評審組（組長馮端院士）評價：“取得了具有國際領先水平和對國民經濟有重大意義的研究成果🧑🏼‍✈️🚣‍♀️。上述成果對推動原子物理、化學👷🏻‍♀️、生物、地質等其他學科具有重要意義，並為國內外同行學術界所承認和高度評價👼🏼。”