智造世界最小光谱仪领衔人杨宗银!苍南籍博士

作者:匿名 2019-11-06 07:29:08 阅读量:4948

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,获得浙江大学学士和硕士学位。今年7月,他获得了剑桥大学电子工程系的博士学位。他目前是剑桥大学石墨烯中心的博士后研究员和国王学院的研究员。他的研究领域包括一维和二维材料光电子学、纳米激光器和纳米传感器。目前已有31篇sci期刊论文发表,8项中国专利获得授权。

只要用手机摄像头扫描,微型光谱仪就可以检测蔬菜和水果中的农药残留,并“读取”牛奶中是否含有三聚氰胺...这不是科幻电影中的场景,很可能会成为现实。

日前,媒体发布了新闻《文集科学家杨宗贤治制造世界上最小的光谱仪》,并率先在中国报道第一作者杨宗贤博士在权威学术期刊《科学》(science)上发表论文《单纳米线光谱仪》,宣布世界上最小光谱仪的成功开发。光谱仪主要由比千分之一人头发还薄的半导体纳米线组成,其尺寸仅为市场上最小光谱仪的千分之一左右,在显微镜下可以清晰看到。尽管这项最新的研究成果仍然是实验室产品,但它已经引起了业内专家和读者的强烈关注。为此,记者采访了研究负责人杨宗银博士,以揭示世界上最小光谱仪的智能创造背后的故事。

特殊纳米线实现颜色分辨率

问:你什么时候开始开发单纳米线光谱仪的?基本原理是如何被发现的?

答:2011年,在浙江大学攻读硕士学位期间,我和哥哥顾福兴发明了在单根纳米线上调节和控制带隙的技术。所获得的纳米线在荧光显微镜下看起来像彩虹,这很容易让人想起牛顿的棱镜实验。沿着这一思路,我们开始探索用纳米线代替三棱镜,将传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度。在具体的科研实践中,我们用带隙逐渐变化的特殊纳米线代替传统光谱仪中的分光和检测元件,采用类似于制作计算机芯片的工艺,在纳米线上加工光电探测器阵列,利用每个探测器对不同颜色的光有不同响应的特点,通过求解逆问题,从响应函数方程重构待测光谱信息。

由于光谱仪直接使用纳米线实现颜色分辨率而不需要色散元件,光谱仪的体积大大减小。

专心于科学研究

问:在过去的8年里,你在开发纳米线光谱仪时遇到了什么困难?

答:这项科研成果是由中国、英国、芬兰和其他国家的科研人员合作完成的。这是团队合作和创新的成果。就我个人而言,在过去的八年里,我遇到了许多困难,并且想过放弃。然而,在老师和家人的鼓励和支持下,我克服了困难,在经历了许多困难之后,终于做了一些有用的研究。这期间的许多时刻对我来说是一生难忘的。

2012年,当我准备出国的时候,我突然想到用这种纳米线作为光谱仪,希望在读博客的时候能做到。他在2014年来到剑桥学习,直到2017年制造了大约150台光谱仪设备,但结果仍然不尽如人意。2017年5月,最后一次尝试改变结构,结果有所好转。随着设备和算法的优化,人们隐约感到它离目标不远了。2018年8月的一个周六晚上,我在实验室测量了信号。我简直不敢相信自己的眼睛,并多次证实它与商用光谱仪的测量结果一致。那一刻有复杂的感觉。科学将于2019年5月初提交,一个月后将收到评论。

预计五年后它将进入人们的家中。

问:你开发这台光谱仪的原因是什么?

答:1666年,牛顿发现阳光被棱镜折射后可以着色。这个色散实验促进了分光计的诞生。分光计是一种分析物质发射光谱信号的仪器。通过光谱测量,可以分析物体中的化学成分,并将其用作空气污染、食品卫生、作物生长和人类健康的检测工具。及时获取光谱信息将给我们的科学研究、工业生产和日常生活带来许多便利。

然而,目前大多数光谱仪的工作原理仍然与牛顿的实验相似,需要使用棱镜或光栅等光谱元件。这种光谱仪体积太大,不能满足日益发展的光谱应用技术的需要。然而,减小光谱和检测元件的尺寸将导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度和动态检测范围的显著降低。因此,光谱仪的小型化是当前科技界面临的一项重大技术挑战。

问:你能谈谈这台分光计的用途吗?工业化难以实现吗?

答:光谱仪体积小、携带方便、易于推广,在应用中有很多优点。它非常适合终端消费者,并可应用于新兴领域,如可穿戴设备。它与手机的摄像系统兼容,可以设计成紧凑的光谱仪模块,使手机具有光谱检测能力,检测食品和皮肤的光谱信息,判断食品安全和健康状况。该光谱仪用于扫描单细胞的光谱成像,分析细胞各部分的化学变化,为检测癌症等疾病提供了一种新的方法。

我认为这项技术的关键之一是控制有色纳米线的制备。这个问题正在通过借鉴标准芯片技术来解决。目前,该团队已经在申请微型光谱仪的专利。希望在该光谱仪的基础上开发出一系列紫外-红外微型光谱仪,并在未来五年内广泛应用于科研、生产和生活。

(原标题“纳米线绽放彩虹!采访世界上最小的分光计领导人、仓颉医生、前作者周大正。编辑邵晨灿)

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