六月一日，重慶大學電子顯微鏡中心，科研人員正在向中學生介紹像差校正透射電鏡工作原理和功能。該中心為建設超瞬態實驗裝置打下良好基礎。首席記者 龍帆 攝\視覺重慶

　　天下武功，唯快不破。

　　武俠小說里，以快為主的武功往往令對手措手不及，一閃即逝，一招制勝。

　　近日，重慶首個大科學裝置——超瞬態實驗裝置項目在西部（重慶）科學城開工。

　　什么是超瞬態？它可以快到什么程度？要研究什么？大科學裝置有怎樣的意義？6月1日，帶著這些疑問，重慶日報記者走進該項目實驗室一探究竟。

　　“飛秒+埃”研究物質的瞬息變化

　　“超，即超越；瞬，即瞬間即逝、瞬息萬變。”在重慶大學電子顯微鏡中心大廳，該中心科研主任、超瞬態實驗裝置技術總負責人唐文新教授開門見山地介紹，超瞬態科學是十分前瞻的物質科學領域，也是未來科學發展的重要引領性方向之一。

　　那么，什么是超瞬態實驗裝置？

　　“超瞬態實驗裝置是提供時間（光子）與空間（電子）多維研究與調控的重大科技基礎設施。”重慶大學電鏡中心副主任、超瞬態電子顯微鏡研發核心成員黃天林教授說，鋼鐵、鋁合金、鎂合金和鋯合金等為主的金屬結構材料，在重大工程領域和國民經濟建設中具有十分重要的作用。而多維多尺度表征是材料研究的基礎。

　　此前，大家用二維（平面）的方式去分析物質，后來有了三維，可以立體地分析物質。現在，科學家們設想加上光子（時間維度）來分析物質的運動變化狀態，光子是實現高時間分辨率（超快）分析的有效手段。

　　也就是說，超瞬態不僅能了解物質靜態的結構，也能夠揭秘物質動態的變化過程。其涉及的時間尺度從飛秒到秒，空間尺度可從埃到米。

　　飛秒、埃聽起來超炫。意味著什么？

　　重慶大學電子顯微鏡中心透射電鏡技術負責人陳厚文副教授解釋，飛秒是時間單位，1飛秒為1秒的1000萬億分之一。

　　光是宇宙里跑得最快的，每秒約跑30萬公里（繞地球7圈半）。但在1飛秒內，光也只能跑300納米。

　　埃是長度單位，1埃為1納米的1/10。“1納米是一根頭發絲的6萬分之一，1埃就是一根頭發絲的60萬分之一。”陳厚文說道。

　　超瞬態實驗裝置要在精確到“飛秒+埃”的尺度下，來研究物質“瞬息變化”，令人驚嘆！

　　“比如一頭豹子在高速運動的時候，外界看到它形體的變化在秒量級。但它里面的肌肉纖維，細微到每一個分子如何運動和變化？我們可以通過超快手段來分析這個層面物質相互作用的規律。”唐文新說，同理，超瞬態可以運用在材料、制造、能源等領域，分析物質變化和時間相關的科學規律，從而推動先進制造、材料科學、信息科學、新能源等諸多領域發展。

　　大科學裝置堪稱科學研究的“航空母艦”

　　超瞬態實驗裝置，由什么組成？

　　“大科學裝置堪稱科學研究的‘航空母艦’，是建立具有強大國際競爭力的國家大型科研基地的重要條件。”唐文新解釋道，大科學裝置國家有明確定義，也稱大科學設施，是國家為解決重大科技前沿、國家戰略需求中的戰略性、基礎性和前瞻性科技問題，謀求重大突破而投資建設的大型研究設施。

　　其通過較大規模投入和工程建設，建成后通過長期的穩定運行和持續的科學技術活動，實現重要科學技術目標。其基本特點是：科研力量集中、科研任務集中、投資力度大、多學科交叉、需要昂貴且復雜的實驗設備、研究目標瞄準基礎性，發展新型、邊緣科學和突破重大新技術。

　　超瞬態大科學裝置由“高通量同步輻射光源”和“超瞬態電子顯微鏡集群”兩部分組成：“高通量同步輻射光源”提供低發射度、高流強和高通量光源為特色的同步輻射裝置，主要服務于解決國民經濟主戰場中對高通量光源迫切需求的項目研發；“超瞬態電子顯微鏡集群”包括已自主研制成功的世界首套超瞬態自旋極化低能電子顯微鏡、世界獨特的四維透射電鏡等核心儀器設備，可實現對物質在力、熱、磁、電和輻照等多維多尺度耦合表征。

　　目前，超瞬態實驗裝置是國際上首次明確在時間尺度上提出兩種探針相互耦合的大科學裝置。

　　超瞬態實驗裝置建成后有啥用

　　穿上防塵服、套上鞋套，記者走進電鏡中心實驗室。

　　在像差較正透射電鏡室，圖像分辨率可以達到50-80皮米（1皮米=1萬億分之一米），可以看出原子由什么元素構成，怎么排列，但這只能作平面、靜態的分析。

　　在超快低能電子顯微鏡實驗室，這里有唐文新帶領團隊建立的世界首套超瞬態自旋極化低能電子顯微鏡。這臺復雜的超高真空系統組成的電子顯微鏡，周圍密布著各類儀表儀盤的信號電源線和超短脈沖激光/光學透鏡等——就像人體的心臟，周圍密布著血管和器官。

　　運用激光+電子結合成像，在一個快門的時間完成上千萬張圖像成像……團隊不斷挑戰“電子（空間）+光子（時間）”相結合所能達到的速度和結果。

　　未來，團隊基于光子和電子同物質相互作用的不同物理散射機制，將充分發揮電子探針在空間尺度、光子探針在時間尺度的各自表征優勢，重點解決先進制造、先進材料、新能源、電子信息、生物醫藥等領域共性關鍵技術需求，開展高溫燃燒機理、3D打印、新材料、極紫外光刻、固態及新燃料電池、癌癥早期診斷與放療等基礎研究和產業技術融通創新。

　　“比如，肺癌早期診斷結節，超瞬態裝置超高的空間分辨率和獨特的對比度成像機制，能在結節還僅為毫米大小的時候就能準確判定是否癌變。”唐文新舉例道。

　　“微觀結構決定了宏觀性能。宏觀性能的改變優化，需要從微觀的組織、化學元素分布，原子排列方式與方向等機制中去調控。”黃天林表示，在新材料領域，如何開發出在極端條件下的高性能新材料，如耐高速沖擊變形的汽車輕量化材料，超瞬態實驗裝置都將發揮重大作用。

　　“以前開發一個產品，時間很長，要是開發核心產品，生產工藝參數的調控與優化可能需要10年甚至20年時間。如果把宏觀性能隨工藝參數變化背后的微觀機制弄清楚，再去調控時，就知道朝哪個方向改進，開發新產品周期就要快很多。”陳厚文將材料設計這個過程比作“炒菜”，炒菜的時候，要放各種各樣的佐料，其量會影響最后的口感。材料設計也是如此，要加什么樣的核心元素，加多少進去以后，材料性能才會是最好的。

　　“因此，可以通過對不同工藝得到的材料的微觀結構進行研究，然后發現其中機制，知道這些元素加進去以后材料的性能為什么好，加多少量又是最佳……有了這些規律性機制以后就可以反過來指導先進材料設計，同時有理有據，有理可依。”陳厚文說。

　　建設超瞬態實驗裝置對重慶意味著什么

　　“加快集聚大科學裝置，積極爭取建設超瞬態實驗裝置……”據了解，超瞬態實驗裝置寫進了《重慶市國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二O三五年遠景目標綱要》。

　　超瞬態實驗裝置項目占地500畝，總投資30億元，由重慶大學牽頭建設。超瞬態實驗裝置項目分兩期建設，一期計劃建設實驗中心及辦公用房1.026萬平方米，建設500Mev低能強流同步輻射光源和3套超瞬態電子顯微平臺，預計2023年建成投用。

　　“擁有先進的大科學裝置，甚至大科學裝置群，是重慶成為具有全國影響力的科技創新中心的重要支撐和基本條件。”唐文新稱，開工建設超瞬態實驗裝置，是重慶邁向具有全國影響力科技創新中心的“第一步”，是西部（重慶）科學城創新能級最基礎也是關鍵的標志，將有利于重慶科技創新能力提升、攻克重要領域關鍵技術、以點帶面聯動其他領域創新。

　　同時，將有利于迅速吸引大批尖端人才聚集到重慶，未來孕育出一批在中國具有影響力的高科技企業。開放共享共建是大科學裝置的一個顯著特點，裝置將面向國內外開展合作共建，聯合國內外優秀科技力量，共同發現重大科學問題、突破關鍵技術瓶頸，提升重慶科技創新中心在全國乃至國際的影響力。