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【中国科学报】郭春雷中美联合光子实验室:让中美科研成果落地长春
2017-10-23
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 郭春雷     沈春蕾摄 

  ■本报记者 沈春蕾 

  从零起点到开始运转,再到30多人的团队,郭春雷中美联合光子实验室在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长春光机所)落成已有一年多时间。

  实验室主任、美国罗切斯特大学光学所教授郭春雷在接受《中国科学报》记者采访时表示:“当年我以学生的身份离开长春,如今我以学者的身份回到长春,在这里建一座新的实验室,希望借助长春光机所和罗切斯特大学的研究基础,让中美科研成果落地长春。”

  从散射光技术说起 

  材料表面的微纳结构对裸眼而言是不可见的,但它们却对材料的物理、化学和生物性质起到重要决定性作用。

  在过去几年时间里,郭春雷及其研究团队通过将激光脉冲照射至材料表面,发现了操纵微纳结构的方法。他们改变了这些材料,使之抗水、亲水,并且吸收大量的光,“所有这些都不需要任何形式的镀膜。”郭春雷说。

  今年,郭春雷团队又将研究推进了一步。“我们首创出一种技术,能够将材料表面的微纳结构形成的完整演变过程可视化。”郭春雷解释道,“我们首先确定了通过在材料表面创建微小结构可以大幅改变材料性质,于是下一步的工作就是理解这些结构是怎样形成的。”

  目前,制成一英寸见方的金属样品大约需要1小时。明确微纳结构是怎样形成的,可能使科学家们将这些结构的制造流水线化——包括增加形成表面的速度和效率。

  制作并改变这些小结构将使一些性质变为材料的本征性质,免掉了化学涂层的需求。为了产生这些效应,研究人员使用了飞秒激光器。该激光器输出了一个持续时间为几十飞秒的超快脉冲(1飞秒等于千万亿分之一秒)。

  改变该激光器的条件可以导致表面结构的形态功能变化,比如,它们的几何性质、大小和密度等,使得材料可以展现出不同的特定物理性质。因为该过程发生在飞秒级、皮秒级和纳秒级,所以很难获取该过程的细节图像或是影像。

  光从地球传播至月球大约需要1秒,但是,1纳秒内光的传播距离大约为1英尺,而1飞秒内的传播距离大约为0.3微米,仅相当于病毒或是细菌的直径。

  郭春雷解释道,一个典型的摄像机以5~30帧/秒的速度记录一系列的图像。当实时放映这一系列图像时,人眼可以感知连续的动作而不是一系列分离的帧。

  那么,郭春雷团队是怎样做到以几微秒、几纳秒、几皮秒的间隔记录这些帧的呢?他们使用了一种散射光技术。在飞秒激光脉冲期间,光束被一分为二,一束泵浦光束打在靶材料上以产生微纳结构变化,另一束探测光束则充当了闪光灯,照亮整个过程并记录到CCD相机上。

  郭春雷指出:“通过飞秒的散射光脉冲,我们可以在极快速度下捕获到非常小的变化,并清楚地看到这些结构是怎样开始形成的。”

  于是,郭春雷团队在Light: Science & Applications发表了一篇文章,介绍了这种通过激光改变材料表面从而记录超快电影的散射光成像技术。他说:“该技术打开了全过程的窗口,从激光使材料融化,到短暂表面波动,再到巩固,从而导致永久性的微纳结构。”

  将实验室引入中国 

  Light: Science & Applications是由长春光机所创办的光学期刊,影响因子在国际同领域期刊中位列前三。早在2013年,郭春雷访问长春光机所的时候,就接受了Light: Science & Applications 编辑部颁发的编委聘书,并与相关领域科研人员讨论了科研项目合作、人才培养等方面问题。

  2016年,长春光机所成立郭春雷中美联合光子实验室,主要从事超快激光科学、激光与固态物质相互作用、材料科学、纳米光电子学等领域研究工作。

  为什么不选择北京、上海等大城市?郭春雷的解释是:“我在美国的实验室成立于2001年,跟长春光机所有很多相似之处。长春光机所是中国光学的发源地,之前我们一直在探讨潜在合作可能,随着实验室的成立想法变成了现实。”

  看着崭新的办公楼、齐全的实验设施,郭春雷感谢长春光机所提供的基础科研条件,并且他的很多想法正在付诸实践。如今,中外合作已经颇为常见,郭春雷希望自己在美国和中国的实验室能互通有无,顺利对接。

  瞄准应用 广纳贤才 

  短短一年的时间,郭春雷中美联合光子实验室的科研团队不断壮大。郭春雷表示:“我们吸引了南开大学教授、苏联院士、海归博士等众多人才,招聘工作仍然在继续。”

  未来,郭春雷中美联合光子实验室将为多种技术提供更广阔的发展空间,包括抗腐蚀性建材、能量吸收器、燃料电池、空间望远镜、飞机融冰、医学仪器以及第三世界国家的卫生设备。

  几年前,郭春雷团队就研发出一项具有革新性的技术,利用高精度激光让金属拥有超疏水特性,简单地说就是让金属具有防水性。郭春雷指出,该技术并不是让金属拥有一个类似特氟隆的防水涂层,而是让金属本身具有防水性,接触这种金属后,水立即弹跳滚开。

  郭春雷表示,这种超疏水金属拥有很多应用,例如厨房用具和飞机。如果采用这种金属,飞机表面不会结冰,因为水无法在这样的金属上冻结,在卫生设施较差的贫困国家,这种金属能够让公众受益,由于独特的防水特性,这种金属基本上可以做到“自清洁”。

  为此,郭春雷团队的研究获得比尔与梅琳达·盖茨基金会和多个美国国家机构的资金支持。最近,梅琳达·盖茨基金会启动了一个大科研项目支持郭春雷中美两个实验室共同研发新一代卫生材料。

  尽管中国实验室目前的科研工作多数是在美国实验室的基础上开展,但瞄准应用领域是郭春雷中美联合光子实验室成立之初的使命。郭春雷说:“希望我们研究的技术能走进人们的日常生活。”

《中国科学报》 (2017-10-23 第6版 院所)

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