1月20日，由生物島實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)銜研制，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首臺(tái)國產(chǎn)商業(yè)場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡TH-F120“太行”在廣州發(fā)布。這標(biāo)志著我國已掌握透射電鏡用的電子槍等核心技術(shù)，并具備量產(chǎn)透射電鏡整機(jī)產(chǎn)品的能力。
透射電鏡技術(shù)跨越多個(gè)學(xué)科、工程技術(shù)復(fù)雜、攻關(guān)難度大。經(jīng)過三年多努力，中國科學(xué)家們完成了我國首臺(tái)100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的120千伏場(chǎng)發(fā)射透射電鏡的整機(jī)研制，實(shí)現(xiàn)了0.2nm分辨率的成像能力，達(dá)到了產(chǎn)品化的水平。
“這對(duì)于我國擺脫進(jìn)口依賴、實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)具有重大意義?！敝袊茖W(xué)院院士、生物島實(shí)驗(yàn)室主任徐濤介紹，這將打破國內(nèi)透射電鏡100%依賴進(jìn)口的局面，場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡將為我國在材料科學(xué)、生命科學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)等前沿科學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。
以“太行”之名，挺起透射電鏡產(chǎn)業(yè)的中華脊梁
如果說光學(xué)顯微鏡揭開了細(xì)胞的秘密，那么透射電子顯微鏡則把納米級(jí)的微觀世界展示在人類眼前。1933年，世界上第一臺(tái)透射電鏡誕生，為科學(xué)研究提供更強(qiáng)有力的武器，也因此被譽(yù)為高端科學(xué)儀器皇冠上的“明珠”。
透射電鏡具有極高的行業(yè)壟斷性與技術(shù)門檻。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，此前，我國透射電鏡100%依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化尚屬空白。2022年，我國進(jìn)口透射電鏡約300臺(tái)，進(jìn)口總額超30億元，預(yù)計(jì)2022年至2028年期間，年復(fù)合增長率超5.8%。
生物島實(shí)驗(yàn)室生物電子顯微鏡技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新中心研究員孫飛早在2016年便帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院生物物理研究所啟動(dòng)了預(yù)研工作。
“我們通過廣泛交流，集合了有志于從事國產(chǎn)電鏡自主研制的科學(xué)家和工程師，涵蓋了電子光學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)化控制、軟件等相關(guān)領(lǐng)域?！睂O飛介紹，其中既有來自國內(nèi)外學(xué)界的科研人才，也有在產(chǎn)業(yè)界深耕掃描電子顯微鏡多年的領(lǐng)軍人物，“大家都抱有同樣的愿景，就是造出我們國家自己的透射電鏡?！?/span>
2020年，這支來自全國各地甚至海外的隊(duì)伍集結(jié)在廣州的生物島實(shí)驗(yàn)室組展開技術(shù)攻關(guān)。團(tuán)隊(duì)成立三年多以來，在國家自然科學(xué)基金委、科技部、廣東省科技廳、廣州市科技局的大力支持下，相關(guān)研發(fā)工作接連取得重大突破——先后成功研制120千伏場(chǎng)發(fā)射電子槍、120千伏低紋波高壓電源、400萬像素和1600萬像素棱鏡耦合CMOS電子探測(cè)相機(jī)、100萬雜合像素直接電子探測(cè)相機(jī)等透射電鏡核心關(guān)鍵部件。
據(jù)悉，電子槍是透射電鏡的“光源”，其作用是發(fā)射高能電子束照射到樣品上，是透射電鏡最為核心的部件之一。“將原有的30千伏場(chǎng)發(fā)射電子槍提升為120千伏，要解決電子源發(fā)射穩(wěn)定性、高壓真空打火等問題。經(jīng)過不斷的摸索，我們突破國外相關(guān)技術(shù)壁壘，去年成功實(shí)現(xiàn)120kV場(chǎng)發(fā)射電子槍的穩(wěn)定量產(chǎn)?！睂O飛說到。如今，生物島實(shí)驗(yàn)室是我國唯一有能力量產(chǎn)該透射電鏡核心部件的單位。
孫飛直言，更大的困難在于如何將各個(gè)研制成功的部件組合起來實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)，真正拿到高分辨率圖像?！澳玫椒直媛蕛?yōu)于0.2nm圖像的那天，我們非常激動(dòng)，我國終于突破這一關(guān)鍵技術(shù)?！?/span>
為了進(jìn)一步推動(dòng)透射電鏡的產(chǎn)業(yè)化，生物島實(shí)驗(yàn)室與國內(nèi)領(lǐng)先的科學(xué)儀器公司國儀量子聯(lián)合成立了廣州慧炬科技有限公司，致力于將透射電鏡技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。
“我們成功走到今天，得益于生物島實(shí)驗(yàn)室作為新型研發(fā)機(jī)構(gòu)的特殊體制機(jī)制，保證了研發(fā)隊(duì)伍的穩(wěn)定。同體制內(nèi)外并行發(fā)力，與產(chǎn)業(yè)界的緊密合作。同時(shí)，國家部委項(xiàng)目的支持，保證了項(xiàng)目研制的可持續(xù)性?！睂O飛說。
此次廣州慧炬科技有限公司推出的首款透射電鏡新品TH-F120，取名源自中華名山“太行”，寓意TH-F120將如太行山一樣成為中國透射電鏡產(chǎn)業(yè)的脊梁。
向“珠穆朗瑪”進(jìn)發(fā)，將推出更高千伏電鏡透視更厚材料
廣州慧炬科技有限公司總經(jīng)理曹峰正在推進(jìn)“太行”的商業(yè)化應(yīng)用。他介紹，場(chǎng)發(fā)射透射電鏡在高端科研、產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用廣泛、意義重大。在生命科學(xué)研究領(lǐng)域，它可以看到蛋白質(zhì)的生物結(jié)構(gòu)；用在集成電路領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的缺陷檢測(cè)；用在新材料領(lǐng)域，可開展鋰電池的研發(fā)等等。
曹峰表示，“太行”是擁有原子級(jí)分辨率的顯微放大設(shè)備，信息分辨率達(dá)0.2nm，可以呈現(xiàn)大多數(shù)晶體的排列結(jié)構(gòu)。廣州日?qǐng)?bào)記者現(xiàn)場(chǎng)看到，“太行”能清晰呈現(xiàn)小鼠大腦中的髓鞘組織、小鼠肝臟細(xì)胞的里的線粒體?！八嵌鄠€(gè)技術(shù)的復(fù)合體。我們必須在每個(gè)環(huán)節(jié)都做到極致，才能保證設(shè)備整體達(dá)到超高分辨率?！辈芊逭f。
盡管“太行”是該公司推出的“入門級(jí)”產(chǎn)品，現(xiàn)已具備多項(xiàng)先進(jìn)性能——
一是自主研制的高亮度場(chǎng)發(fā)射電子槍，相比于同級(jí)進(jìn)口產(chǎn)品的熱發(fā)射電子槍，亮度更高，發(fā)射穩(wěn)定性和相干性更優(yōu)，匹配自主研制的電磁透鏡系統(tǒng)，針對(duì)120kV成像平臺(tái)特別優(yōu)化電子光學(xué)設(shè)計(jì)，可為用戶帶來更佳的圖像襯度和分辨率；二是自主研制的高穩(wěn)定性低紋波高壓電源，實(shí)現(xiàn)了高壓自動(dòng)控制，保證電子槍穩(wěn)定發(fā)射；三是標(biāo)配自主研制的高像素CMOS相機(jī)，在低電子劑量的工況下仍可呈現(xiàn)豐富的樣品細(xì)節(jié)；四是以人機(jī)分離為設(shè)計(jì)理念，匹配高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，使圖像采集工作更加舒適高效；五是預(yù)設(shè)充足的拓展接口和整機(jī)升級(jí)空間，滿足用戶需求迭代，有效延長整機(jī)使用年限。
曹峰透露，團(tuán)隊(duì)明年計(jì)劃研制出200千伏場(chǎng)發(fā)射透射電鏡。“電壓雖然看起來只是增加了80千伏，但研制難度卻是指數(shù)級(jí)增加，設(shè)備的穩(wěn)定性、防護(hù)性都需要進(jìn)一步探索?！?/span>
曹峰表示，電壓越高意味著電子能量越高，就越能穿透更厚的樣品。目前120千伏的電鏡，可以穿透大約50納米厚度的材料。但是對(duì)于常見的100納米的材料，還需要200甚至300千伏的電鏡。
在未來數(shù)年，該公司計(jì)劃推出場(chǎng)發(fā)射透射電鏡系列EM -F200“峨眉”、KL -F300“昆侖”，冷凍透射電鏡系列YL -F100C“玉龍”、TGL -F200C“唐古拉”、 ZMLM -F300C“珠穆朗瑪”，熱發(fā)射透射電鏡系列QL -T120“秦嶺”、DX -LaB120“丹霞”?！拔覀兊耐干潆婄R產(chǎn)品取名均源自中華名山，代表慧炬立足中國、放眼世界，助力科研工作者勇攀高峰、不斷突破?！辈芊逭f。
此次“太行”的發(fā)布，是生物島實(shí)驗(yàn)室“二次創(chuàng)業(yè)”，向成果轉(zhuǎn)化專業(yè)機(jī)構(gòu)成功轉(zhuǎn)型的縮影。作為廣州市首批省實(shí)驗(yàn)室之一，生物島實(shí)驗(yàn)室不斷培養(yǎng)高價(jià)值專利，與本地頭部企業(yè)共建聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化中心，累計(jì)孵化企業(yè)12家，其中4家估值已經(jīng)超億元。通過技術(shù)作價(jià)、配比投入等方式撬動(dòng)社會(huì)資本近1.5億元，助力科研成果高效率轉(zhuǎn)化，賦能產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，為廣州高質(zhì)量發(fā)展作出突出貢獻(xiàn)。
