TEMS：“玩轉(zhuǎn)”高端設(shè)備的“模仿秀”
——記第15屆全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”獲獎(jiǎng)作品透射電子顯微鏡模擬器
發(fā)布日期：2017-11-24 供稿：黨委宣傳部 王朝陽(yáng) 攝影：材料學(xué)院
編輯：王朝陽(yáng) 審核：王征 閱讀次數(shù)：
2017年11月18日,，在第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽上,，有這樣一款來(lái)自北理工學(xué)子研制的教學(xué)輔助儀器，憑借出色的創(chuàng)新設(shè)計(jì)在眾多的優(yōu)秀作品中脫穎而出，得到了評(píng)委們的一致認(rèn)可,，并最終獲得一等獎(jiǎng)。
這款名為“透射電子顯微鏡模擬器”（以下簡(jiǎn)稱：TEMS）的教輔儀器由北京理工大學(xué)材料學(xué)院蘇鐵健與譚成文老師指導(dǎo),，岳峻逸,、姜威宇、李斌斌,、張思蒙等八位學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)研制,。它能夠有效模擬透射電子顯微鏡（TEM）成像原理及功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)高端科研設(shè)備原理講授,、學(xué)習(xí)使用的便利化,，為更廣泛地開(kāi)展透射電子顯微鏡理論學(xué)習(xí)和上機(jī)實(shí)訓(xùn)需求創(chuàng)造了條件。經(jīng)過(guò)專利檢索和文獻(xiàn)查詢,，目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的輔助教學(xué)與培訓(xùn)設(shè)備,，這款教輔工具填補(bǔ)了對(duì)透射電子顯微鏡操作流程可視化展示的國(guó)內(nèi)空白。
從TEM到TEMS：“一樣也不一樣”的“模仿秀”
伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，探索物質(zhì)的微觀世界,，是當(dāng)今世界前沿科技的研究熱點(diǎn),，這離不開(kāi)各種先進(jìn)性觀察設(shè)備，而透射電子顯微鏡（TEM）就是目前使用最為常見(jiàn)的一種高水平研究設(shè)備,，廣泛應(yīng)用于生物,、化學(xué)和材料等科學(xué)領(lǐng)域。透射電子顯微鏡雖然常用,，但復(fù)雜的操作和昂貴的價(jià)格,，讓它并不“親民”。如何讓學(xué)生便利地學(xué)習(xí)掌握透射電子顯微鏡一直讓從事相關(guān)研究的蘇鐵健“耿耿于懷”,。
創(chuàng)新的靈感總是在長(zhǎng)期思考中爆發(fā),，蘇鐵健的這件心事，也成為學(xué)生們一項(xiàng)思考的命題,。某日,，岳峻逸等幾位同學(xué)看到蘇老師在課堂上用手中的激光筆照射光柵時(shí)，在墻上形成很多亮點(diǎn)形成的陣列,，青年人的創(chuàng)造性在此刻迸發(fā),。“我們覺(jué)得這種現(xiàn)象與TEM的電子衍射非常相像,，于是馬上將這一靈感記錄下來(lái),。”岳峻逸回憶說(shuō),。
而面對(duì)學(xué)生“靈光一現(xiàn)”,，隨后的幾天中，老師們可沒(méi)有絲毫懈怠,，“學(xué)生的創(chuàng)新思維,，有時(shí)候不可小覷”，長(zhǎng)期從事科研工作和指導(dǎo)學(xué)生的豐富經(jīng)驗(yàn),，讓蘇鐵健和譚成文兩位老師敏銳地意識(shí)到,，學(xué)生的想法大有可為，他們隨即與岳峻逸等學(xué)生一起深入探討,，伴隨著思路的逐漸打開(kāi),，師生們一拍即合，不久一份TEM模擬器的設(shè)計(jì)方案就形成了,。
當(dāng)然,，從一紙方案到一方實(shí)物，還需要一番心路歷程,，兩位老師與學(xué)生經(jīng)過(guò)精心構(gòu)思和反復(fù)推敲設(shè)計(jì),，并認(rèn)真指導(dǎo)由岳峻逸牽頭的研制團(tuán)隊(duì)，克服困難,，終于用了2年時(shí)間,，將方案變作實(shí)物,，制作出這款造價(jià)僅有5萬(wàn)元左右的透射電子顯微鏡模擬器（TEMS）。
“真正的TEM在工作時(shí),，由于發(fā)射的是電子束,，相當(dāng)于射線，所以其光路是不可見(jiàn)的,，操作是‘暗箱’的,。但將TEMS作為教學(xué)儀器時(shí)，運(yùn)用激光,，你就可以對(duì)其工作原理一目了然，這讓學(xué)生更好地理解了TEM的抽象概念和工作原理,?！痹谰葸呎f(shuō)邊演示，“你看,，激光束模擬的是電子束,，而我們放置的光柵就是在模擬被檢測(cè)的材料樣品，光柵的條文疏密還有方向相當(dāng)于材料樣品的微觀結(jié)構(gòu),，激光照射后,，光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后用透鏡把光匯聚到成像平面上,，我們就得到了一列列周期排列的亮點(diǎn),。通過(guò)測(cè)量亮點(diǎn)的間距，就可以算出光柵的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),，這一過(guò)程和電子束檢測(cè)材料樣品過(guò)程和原理是一致的,。”
正是通過(guò)這樣巧妙的模擬,，這款TEMS不僅一覽無(wú)余地展示了TEM的工作原理,，還依托控制系統(tǒng)、圖像采集與處理系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),，開(kāi)發(fā)出能精準(zhǔn)控制設(shè)備運(yùn)行,、直觀輸出結(jié)果的計(jì)算機(jī)程序，建構(gòu)了友好的人機(jī)交互界面,。
另外,，TEMS作為高水平的“模仿者”，努力向“本尊”看齊,，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)效果測(cè)試,，TEMS完全能夠生成TEM在不同模式下的各種演示效果，還能呈現(xiàn)圖像模式與衍射模式的轉(zhuǎn)換關(guān)系,。當(dāng)然也必須承認(rèn),，與“本尊”相比,，作為一款教學(xué)儀器，TEMS在分析精度方面稍顯遜色,?！帮@微鏡分辨率跟波長(zhǎng)有關(guān)，激光束光源的波長(zhǎng)是0.5個(gè)微米,，而電子可以達(dá)到原子級(jí)別,，也就是說(shuō)TEM可以看到納米尺度的材料結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，但TEMS只能展現(xiàn)到微米級(jí)細(xì)節(jié),，‘本尊’畢竟是‘本尊’嘛,！”研究團(tuán)隊(duì)中的信息學(xué)院學(xué)生姜威宇笑著說(shuō)。
從TEM到TEMS,，讓更多的學(xué)生“玩轉(zhuǎn)”高端設(shè)備
材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的各種宏觀性能,，如強(qiáng)度、韌性,、塑性等,，而我們的肉眼只能看到材料的外在表象特征，若想探究其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu),，當(dāng)前最為通行的手段,，就是使用透射電子顯微鏡等顯微分析儀器。
透射電子顯微鏡（TEM）,，其工作原理是利用高能電子束對(duì)材料樣品進(jìn)行轟擊,，電子束穿透材料樣品后發(fā)生衍射，再經(jīng)透鏡折射會(huì)聚而成像,，由于電子束經(jīng)過(guò)高電壓加速而波長(zhǎng)極短,，分辨率可以達(dá)0.1nm級(jí)別，甚至能看到原子像,，這就使其具備了超高的分辨本領(lǐng),，因此常被材料、物理,、化學(xué),、生物、醫(yī)學(xué)以及地質(zhì)等學(xué)科的研究者,，用來(lái)觀察納米級(jí)的微觀組織結(jié)構(gòu),，所以透射電子顯微鏡可以成為現(xiàn)代科學(xué)研究中最為重要、最為常用的觀察設(shè)備之一,。透射電子顯微鏡發(fā)明者——德國(guó)科學(xué)家E. Ruska在1986年因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。國(guó)內(nèi)外理工科大學(xué)的相關(guān)專業(yè)普遍開(kāi)設(shè)透射電子顯微分析類課程。
“TEM的工作原理涉及量子力學(xué),、物理光學(xué)等看不見(jiàn)摸不著的并且十分抽象的現(xiàn)代物理理論,，初學(xué)者如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐訓(xùn)練,，是很難深入理解TEM的理論和熟練掌握其操作技能的，”蘇鐵健介紹說(shuō),，“雖然我在法國(guó)留學(xué)時(shí),，常對(duì)著厚厚的一本TEM使用說(shuō)明書(shū)操作儀器，但直到現(xiàn)在我做實(shí)驗(yàn)時(shí),，仍有很多不懂的地方需要翻書(shū),。”
除了操作難度大外,，透射電子顯微鏡還是一款體積龐大,、價(jià)格不菲的大設(shè)備，每臺(tái)500多萬(wàn)的價(jià)格,，也使得它并不能大量采購(gòu)和普遍裝備,。“科研上都用不過(guò)來(lái),，教學(xué)使用更是排不上，用不起,。北理工目前有2臺(tái)TEM,，工作量十分飽滿，做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生需要提前預(yù)約,，為了保障設(shè)備運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,，大多數(shù)情況下都由老師親自操作或者現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。這樣一來(lái),，針對(duì)TEM開(kāi)展學(xué)習(xí)實(shí)踐的機(jī)會(huì)就非常有限,，也直接影響到學(xué)生的能力培養(yǎng)和科研效果?！碧K鐵健對(duì)此深有體會(huì),。
而由北理工學(xué)生團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研制的“透射電子顯微鏡模擬器”（TEMS）則巧妙的使用可見(jiàn)的532 nm激光束代替了TEM中不可見(jiàn)的高能電子束，并模擬了其衍射和成像的全過(guò)程,，以傅里葉光學(xué)玻璃透鏡代替電磁透鏡控制光路,、以光柵樣品代替薄膜晶體樣品建構(gòu)TEMS的光學(xué)系統(tǒng)，利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)并制作能夠搭載可以移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng),，并配套設(shè)計(jì)了控制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的控制系統(tǒng),、能夠采集與處理圖像的硬件系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)程序，最后通過(guò)總裝環(huán)節(jié)集成光學(xué)系統(tǒng),、機(jī)械系統(tǒng),、控制系統(tǒng)、圖像采集與處理系統(tǒng),，最終這樣一款原理創(chuàng)新,、功能完備,，且“物美價(jià)廉”的教學(xué)儀器在北理工誕生，并且在昆明理工大學(xué),、華北理工大學(xué),、中南大學(xué)和我校的相關(guān)專業(yè)課程以及海淀區(qū)中學(xué)生科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中得到應(yīng)用驗(yàn)證，受到師生們的一致好評(píng),，取得良好的教學(xué)效果,，實(shí)現(xiàn)了讓更多的學(xué)生和初學(xué)者可以“玩轉(zhuǎn)”TEM這樣的高端設(shè)備。
從TEM到TEMS,，為教學(xué)儀器領(lǐng)域創(chuàng)新寫下精彩一筆
“教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)得當(dāng),，會(huì)對(duì)學(xué)生培養(yǎng)和科學(xué)研究起到事半功倍的作用，但是目前國(guó)內(nèi)的大學(xué)課堂對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的使用重視不夠,，當(dāng)然這也和這類儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)構(gòu)思具有一定難度有關(guān)系,，不僅要熟知所模擬對(duì)象，還要抽象出基本原理,，還要去尋找實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段,，考慮展示效果和成本，可謂是難上加難,，在我看來(lái),，教學(xué)儀器的研制，是教學(xué)改革中的重要組成部分,?！碧K鐵健向我們闡釋了他對(duì)于教學(xué)儀器的理解。
TEMS是為模擬透射電子顯微鏡（TEM）而專門設(shè)計(jì)的一種教學(xué)培訓(xùn)和科普展示儀器,，目的是幫助初學(xué)者通過(guò)TEMS的操作快速認(rèn)識(shí)和掌握TEM,。與TEM相比，其價(jià)格和維護(hù)成本低,、易于維護(hù),、使用簡(jiǎn)單、生成的現(xiàn)象直觀,，降低了各高校在開(kāi)展TEM教學(xué)時(shí)的設(shè)備門檻,，適用于高等院校電子顯微分析類課程的學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練，以及實(shí)驗(yàn)室人員培訓(xùn)等,，也適合面向中小學(xué)生開(kāi)展科普教育,。
“該作品是一個(gè)涵蓋材料、光電及軟件等學(xué)科的系統(tǒng)工程,，由不同專業(yè)本科生合作完成,，開(kāi)發(fā)的軟件能夠直接對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理，使設(shè)備原理更為清晰可視；該作品對(duì)相關(guān)學(xué)科的高校本科教學(xué)很重要,，有很大的發(fā)展空間和前景,；該設(shè)備成本低，可以推向國(guó)際市場(chǎng),，特別是科研經(jīng)費(fèi)不足的發(fā)展中國(guó)家,，作品產(chǎn)業(yè)化可操作性強(qiáng)；建議申報(bào)國(guó)家教學(xué)成果獎(jiǎng),，用高端教學(xué)儀器開(kāi)發(fā)帶動(dòng)教學(xué)改革,。”這是在獲評(píng)2017年全國(guó)挑戰(zhàn)杯一等獎(jiǎng)評(píng)選過(guò)程中,，專家一段中肯的評(píng)價(jià),。“我們的作品不僅專家評(píng)價(jià)高,，更關(guān)鍵的是受到在場(chǎng)高校同行老師和學(xué)生的高度關(guān)注與評(píng)價(jià),，市民開(kāi)放日當(dāng)天，吸引了記者,、中小學(xué)生,、廣大市民的關(guān)注，結(jié)束時(shí)仍然有很多學(xué)生與我們進(jìn)行交流,，我們用自身行動(dòng)踐行了‘大眾創(chuàng)業(yè),、萬(wàn)眾創(chuàng)新’！” 譚成文介紹說(shuō),。
“讓更多的學(xué)生受益，就是這個(gè)科技創(chuàng)新的主要目的,。能為師生的教學(xué)科研提供些許幫助,，讓學(xué)生們學(xué)有所獲，是我們最大的自豪感和成就感,！”
