近日，國家自然科學(xué)基金委員會揭曉2023年度中國科學(xué)十大進展。廈門大學(xué)
化學(xué)化工學(xué)院、固體表面物理化學(xué)國家重點實驗室廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊研究成果“發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應(yīng)新機制”入選。此項成果基于研究團隊自主開發(fā)的高時空分辨電化學(xué)原位液相
透射電鏡技術(shù)，而廖洪鋼正是該技術(shù)領(lǐng)域的開拓者之一。
在科研道路上，廖洪鋼一路披荊斬棘，見證了原位液體透射電鏡技術(shù)從被質(zhì)疑到獲得認(rèn)可，并最終成為一項具有“顛覆性”的技術(shù)變革。他也從最初的科研“冷板凳”上站起，成為這一新領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物?；x器網(wǎng)有幸對廖洪鋼教授進行了專訪，深入了解了他在原位透射電鏡研究中的精彩故事，以及他為推動原位液相透射電鏡技術(shù)產(chǎn)業(yè)化作出的巨大貢獻。
原位液相透射電鏡技術(shù)：從探索到突破
透射電鏡(TEM)具有超高的時間和空間分辨率，是化學(xué)、材料及其他相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的強大表征分析工具。但常規(guī)透射電鏡利用電子束作為照明源，需要在高真空環(huán)境中運行，因此樣品以固體和干燥樣品為主，限制了其在液體領(lǐng)域的應(yīng)用。
早在1930年代，研究者就開始嘗試?yán)脙善X箔包裹樣品的方法進行液體環(huán)境的透射電鏡研究，但這種方法僅能提供微米量級的分辨率，幾乎無法滿足實際應(yīng)用的需求。直到進入21世紀(jì)，隨著微納加工等技術(shù)的發(fā)展，用于封存液體樣品的微型液體池被成功設(shè)計制造出來，才使得原位透射電鏡技術(shù)得到突破性的進展。
2003年，F(xiàn). M. Ross課題組首次采用非晶氮化硅薄膜作為電化學(xué)液體池的觀察窗口原位研究了Cu在Au電極的電化學(xué)沉積過程。這一創(chuàng)新成為后續(xù)液相透射電鏡技術(shù)的原型。但在初期，由于難度高、投入大，原位透射電鏡技術(shù)并未得到廣泛認(rèn)可。
2009年，勞倫斯伯克利國家實驗室鄭海梅教授通過微納加工方法制作了一種靜態(tài)液體池用于研究單晶鉑納米晶體的生長，這種結(jié)構(gòu)將分辨率提升至亞納米級別。在此之后，鄭海梅團隊進一步拓展研究方案，發(fā)表了一系列研究成果，充分展示了原位液相透射電鏡的應(yīng)用潛力，從而掀起了這一領(lǐng)域的研究熱潮。而廖洪鋼在勞倫斯伯克利國家實驗室擔(dān)任助理研究員時期，導(dǎo)師正是鄭海梅教授。
“前十年大家還在思考這個東西到底能做什么，到后十年，因為有了熱點的應(yīng)用方向，才開始快速發(fā)展。”廖洪鋼說，“但目前它仍處于非常早期的發(fā)展階段。”過去十多年，原位液相透射電鏡技術(shù)的應(yīng)用集中在很小的領(lǐng)域。廖洪鋼認(rèn)為，現(xiàn)在是該技術(shù)正要大規(guī)模發(fā)展其他應(yīng)用的關(guān)口，未來還會有非常大的發(fā)展機遇。
用堅持與好奇書寫原位電鏡新篇章
在廖洪鋼涉足原位電鏡研究領(lǐng)域之初，該領(lǐng)域尚屬未知，甚至連原位電鏡的概念都未曾存在。他僅憑著一股“想要證明自己”的韌勁，毅然踏上了這條探索之路。研究生時期，他在納米材料合成研究中觀察到了各種形狀的納米材料。當(dāng)他嘗試向期刊投稿時，卻由于提出的合成機理缺少足夠證據(jù)而遭到質(zhì)疑。這次經(jīng)歷讓廖洪鋼下定決心，要通過電鏡觀察納米材料生長的整個過程。這一信念貫穿了他的研究生涯，并成為支持他在還未被前人開拓的科研道路上前行不輟的動力。
談到多年的“冷板凳”以及周圍不理解的聲音，廖洪鋼報以從容微笑。那些承受否定與壓力的歲月，如今已成為他獨立研究時的寶貴財富。回國后，廖洪鋼帶領(lǐng)團隊進行了無數(shù)次的嘗試，盡管過程中充滿了失敗與挫折，但他從不將其視為失敗。他深知，要利用新的技術(shù)和方法得到新的研究成果，需要不停地思考和嘗試，尤其是在沒有前人經(jīng)驗的情況下。
數(shù)十年如一日的研究最終結(jié)出了累累碩果。廖洪鋼及其團隊開發(fā)了多種原位電鏡芯片反應(yīng)器及系統(tǒng)，將氣液體流場引入電鏡，實現(xiàn)光、電、熱、力等外場控制及測量引入原位/工況高時空分辨研究，在原位電鏡領(lǐng)域取得了眾多成果，并獲得了廣泛認(rèn)可。“我覺得最難的點對我們來說可能就是堅持。”廖洪鋼這樣說道，“在整個過程中保持好奇心，當(dāng)你通過新的方式去獲取以前所未知的東西，你會非常激動，而這樣的心情能夠促使你長年地堅持下去。如果你堅持下去，那么遲早能克服困難，得到你想要的結(jié)果。”
產(chǎn)學(xué)研融合 加速原位電鏡技術(shù)發(fā)展
2019年，廖洪鋼創(chuàng)立廈門超新芯科技有限公司，將產(chǎn)、學(xué)、研深度融合，矢志不渝地推動各類原位芯片技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。在他的規(guī)劃中，這家公司的誕生將為原位電鏡的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用推廣提供重要助力。
首先，公司的創(chuàng)立為廖洪鋼的眾多科研成果開辟了一條更為便捷的產(chǎn)業(yè)化道路。高端科研設(shè)備的研發(fā)涉及多學(xué)科交叉，不僅需要儀器技術(shù)，更融合了機械、電子、軟件等眾多領(lǐng)域的智慧。研究團隊中每個人的專業(yè)背景有限，而成立公司能夠集結(jié)各方英才，共同完善和優(yōu)化儀器的設(shè)計。此外，公司也為其贏得了更多的政府和社會資金支持，為科研活動的持續(xù)開展提供了有力保障。
其次，公司的成立使得研究團隊能夠更專注于科研。通過與公司的緊密合作，許多技術(shù)研究工作得以轉(zhuǎn)移到公司部門中，極大地減輕了團隊成員學(xué)習(xí)跨學(xué)科基礎(chǔ)知識的負(fù)擔(dān)。同時，團隊中涌現(xiàn)的新想法和遇到的問題也能通過公司同事的協(xié)助，更加精準(zhǔn)和高效地得到解決，從而推動設(shè)備不斷優(yōu)化。
目前，國外眾多企業(yè)已成功將原位電鏡商業(yè)化。然而引入進口儀器不僅價格高昂，往往還無法完全適配國內(nèi)研究者的需求。廖洪鋼也希望，能夠通過廈門超新芯科技有限公司實現(xiàn)原位電鏡技術(shù)的本土化發(fā)展創(chuàng)新，為國內(nèi)研究者提供更好的服務(wù)與支持，以在國際上引領(lǐng)相關(guān)領(lǐng)域研究。
應(yīng)用落地 貢獻原位電鏡中國方案
自成立以來，超新芯已實現(xiàn)了原位產(chǎn)品的全系列供應(yīng)，產(chǎn)品涵蓋科研類芯片、分析測試芯片、集成測量芯片及系統(tǒng)、芯片實驗室解決方案和電鏡配套樣品臺系統(tǒng)。其產(chǎn)品已全面進入各大高校和科研院所高端實驗室。同時，超新芯還與產(chǎn)業(yè)和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的儀器公司密切合作，共同發(fā)展中國原創(chuàng)的新技術(shù)和方法，為我國高端科研儀器國產(chǎn)化作出了突出貢獻。
2023年，超新芯攜手蔡司推出國內(nèi)首個具有高品質(zhì)成像和先進分析特點的原位液體電化學(xué)顯微解決方案。該技術(shù)克服了液相密封安全性、液相對電子束的成像干擾、電學(xué)測量精準(zhǔn)性、液相流控穩(wěn)定性等方面的局限，實現(xiàn)樣品在液氛中電化學(xué)反應(yīng)過程的實時動態(tài)高分辨表征。這是超新芯在原位液體領(lǐng)域的最新成果。
而入選2023年度中國科學(xué)十大進展的“發(fā)現(xiàn)鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應(yīng)新機制”充分體現(xiàn)了原位液相透射電鏡技術(shù)在電池研究中的應(yīng)用價值。電化學(xué)界面反應(yīng)在近百年來通常認(rèn)為通過“內(nèi)球”或“外球”單分子機制完成，該研究揭示出存在“電荷存儲聚集反應(yīng)”機制，為下一代電池設(shè)計提供了新的思考方式。
此外在原位氣體和原位冷凍等領(lǐng)域，超新芯也推出了眾多解決方案。例如，超新芯依托現(xiàn)有的冷凍桿和冷凍電鏡兩種原位冷凍實驗方法開發(fā)優(yōu)化方案，成功推出了高性價比、高穩(wěn)定性的原位冷凍電鏡解決方案。
從基礎(chǔ)研究到成果落地，廖洪鋼走過了漫長而曲折的科研創(chuàng)新道路。如今，隨著超新芯不斷推出先進的產(chǎn)品和解決方案，他的理想也在逐步變?yōu)楝F(xiàn)實，為我國科研事業(yè)的進步和發(fā)展貢獻著智慧和力量。
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