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发布时间:2019年10月11日 来源:温州日报

  人物名片

  杨宗银,1988年8月出生于苍南,在苍南中学完成高中教育,在浙江大学获得学士、硕士学位。今年7月获得英国剑桥大学电子工程系博士学位。现为剑桥大学石墨烯中心博士后、国王学院研究员。他的研究领域涉及一维和二维材料光电子学、纳米激光器以及纳米传感器等。目前已发表SCI期刊论文31篇,授权获中国专利8项。

  只要用手机摄像头扫一扫,用微型光谱仪检测一下蔬菜瓜果农药残留,“读出”牛奶里是否含有三聚氰胺……这不是科幻片里的情景,这一切很可能变成现实。

  日前,本报刊发《温籍科学家杨宗银智造世界最小光谱仪》消息,率先在国内报道杨宗银博士作为第一作者在美国权威学术期刊《Science》(《科学》)刊发论文《单根纳米线光谱仪》,宣告成功研制世界最小光谱仪。该光谱仪主要由一根比人类头发千分之一还细的半导体纳米线组成,其大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一左右,需在显微镜下才能看清楚。这一最新研究成果虽然还是实验室产品,但引起业内专家和读者强烈关注。为此本报记者专访该项研究领衔人杨宗银博士,揭秘智造世界最小光谱仪背后的故事。

  特殊纳米线 实现颜色分辨

  问:您是从何时开始研发单根纳米线光谱仪?背后原理是怎么发现的?

  答:2011年,我在浙大读硕士期间和师兄谷付星一起发明了在单根纳米线上调控带隙的技术,得到的纳米线在荧光显微镜下观察起来就像一道彩虹,很容易让人联想到牛顿三棱镜实验。沿着这一思路,我们开始探索用纳米线替代三棱镜,将传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度。在具体科研实践中,我们用一种带隙渐变的特殊纳米线替代传统光谱仪中的分光和探测元件,采用和制作电脑芯片类似的工艺,在这种纳米线上加工出了光探测器阵列,并利用各个探测器对不同颜色光具有不同响应的特性,通过逆问题的求解,从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。

  由于该光谱仪直接使用纳米线实现颜色分辨,没有色散元件,极大地减小了光谱仪的体积。

  保持对科研的赤子之心

  问:您在这8年研制纳米线光谱仪过程中都经历了哪些困难?

  答:这一科研成果是由中国、英国、芬兰等国的科研工作者合作完成,是团队协同创新结出的硕果。从我个人来说,在这八年中遭遇了许多困难,也曾想过放弃,但是那颗对科研的赤子之心让我在师长、家人的鼓励支持下克服困难,最终历经千辛万苦,做出了点有用的研究。这期间很多瞬间让我终生难忘。

  2012年,我在准备出国期间突发奇想,用这种纳米线做光谱仪,期待读博时做出来。2014年来到剑桥读博,直至2017年一共做了大概150个光谱仪器件,结果仍不理想。2017年5月,换个结构做最后尝试,结果出现转机;随着对器件和算法的一次次优化,隐隐约约觉得离目标不远了。2018年8月,在一个周六晚上,我在实验室测量到信号,有点不敢相信自己的眼睛,验证了多次都和商用光谱仪测量结果相符。那一刻百感交集。2019年5月初投稿《科学》,一个月后就收到同意发表得审稿意见。

  五年后有望进入百姓家

  问:请问您是出于什么原因研制该款光谱仪?

  答:1666年,牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到彩色。这个色散实验推动了光谱仪的诞生。光谱仪是对物质发出的光谱信号进行分析的仪器,通过对光谱的测量可分析物体中的化学成分,用作对空气污染、食品卫生、农作物生长、人体健康状况的检测工具;通过及时获得物质的光谱信息将会给我们的科研、工业生产、日常生活带来诸多便利。

  然而,目前大部分光谱仪的工作原理仍和牛顿的实验相似,需要用到棱镜或光栅之类的分光元件。这种光谱仪体积庞大已无法满足日益发展的光谱应用技术的需求。但是减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降,因此光谱仪的微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。

  问:可否畅谈一下这款光谱仪将有哪些用途?实现产业化很难吗?

  答:该光谱仪体积小、便携、易推广的特点在应用上有不少优势,非常合适终端消费者使用,可以在可穿戴设备等新兴领域进行应用。它与手机摄像系统兼容,可设计成紧凑式光谱仪模块,使手机具备光谱探测能力,检测食物、皮肤的光谱信息,判断食品安全及身体健康状况。用该光谱仪对单个细胞进行扫描光谱成像,分析细胞每个部分的化学变化,为癌症等疾病检测提供一种新方法。

  我觉得这项技术的关键之一是彩色纳米线的制备控制。这个问题正在通过借鉴芯片标准工艺的方式来解决。目前团队已经在申请该微型光谱仪的专利。希望在这种光谱仪的基础上开发出一系列覆盖紫外到红外的微型光谱仪,用大概五年时间使微光谱仪广泛应用到科研、生产和生活中。(温州日报记者 周大正)

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