TEMS：“玩轉(zhuǎn)”高端設(shè)備的“模仿秀”
——記第15屆全國“挑戰(zhàn)杯”獲獎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 攝影：材料學(xué)院
編輯：王朝陽 審核：王征 閱讀次數(shù)：
2017年11月18日,，在第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽上，有這樣一款來自北理工學(xué)子研制的教學(xué)輔助儀器，憑借出色的創(chuàng)新設(shè)計在眾多的優(yōu)秀作品中脫穎而出,，得到了評委們的一致認可,，并最終獲得一等獎。
這款名為“透射電子顯微鏡模擬器”（以下簡稱：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)生組成的團隊研制,。它能夠有效模擬透射電子顯微鏡（TEM）成像原理及功能，實現(xiàn)對高端科研設(shè)備原理講授,、學(xué)習(xí)使用的便利化,，為更廣泛地開展透射電子顯微鏡理論學(xué)習(xí)和上機實訓(xùn)需求創(chuàng)造了條件。經(jīng)過專利檢索和文獻查詢,，目前國內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的輔助教學(xué)與培訓(xùn)設(shè)備,，這款教輔工具填補了對透射電子顯微鏡操作流程可視化展示的國內(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,，是當今世界前沿科技的研究熱點，這離不開各種先進性觀察設(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)新的靈感總是在長期思考中爆發(fā)，蘇鐵健的這件心事,，也成為學(xué)生們一項思考的命題,。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,，在墻上形成很多亮點形成的陣列,，青年人的創(chuàng)造性在此刻迸發(fā)?！拔覀冇X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?！痹谰莼貞浾f,。
而面對學(xué)生“靈光一現(xiàn)”,，隨后的幾天中，老師們可沒有絲毫懈怠,，“學(xué)生的創(chuàng)新思維,，有時候不可小覷”，長期從事科研工作和指導(dǎo)學(xué)生的豐富經(jīng)驗,，讓蘇鐵健和譚成文兩位老師敏銳地意識到,，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,，師生們一拍即合，不久一份TEM模擬器的設(shè)計方案就形成了,。
當然,，從一紙方案到一方實物，還需要一番心路歷程,，兩位老師與學(xué)生經(jīng)過精心構(gòu)思和反復(fù)推敲設(shè)計,，并認真指導(dǎo)由岳峻逸牽頭的研制團隊，克服困難,，終于用了2年時間,，將方案變作實物，制作出這款造價僅有5萬元左右的透射電子顯微鏡模擬器（TEMS）,。
“真正的TEM在工作時,，由于發(fā)射的是電子束，相當于射線,，所以其光路是不可見的,，操作是‘暗箱’的。但將TEMS作為教學(xué)儀器時,，運用激光,，你就可以對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,。”岳峻逸邊說邊演示,，“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的材料樣品,，光柵的條文疏密還有方向相當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。通過測量亮點的間距，就可以算出光柵的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),，這一過程和電子束檢測材料樣品過程和原理是一致的,。”
正是通過這樣巧妙的模擬,，這款TEMS不僅一覽無余地展示了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,，開發(fā)出能精準控制設(shè)備運行,、直觀輸出結(jié)果的計算機程序，建構(gòu)了友好的人機交互界面,。
另外,，TEMS作為高水平的“模仿者”，努力向“本尊”看齊,，經(jīng)過實驗效果測試,，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,。當然也必須承認,，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,。“顯微鏡分辨率跟波長有關(guān),，激光束光源的波長是0.5個微米,，而電子可以達到原子級別，也就是說TEM可以看到納米尺度的材料結(jié)構(gòu)細節(jié),，但TEMS只能展現(xiàn)到微米級細節(jié),，‘本尊’畢竟是‘本尊’嘛！”研究團隊中的信息學(xué)院學(xué)生姜威宇笑著說,。
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材料樣品進行轟擊,，電子束穿透材料樣品后發(fā)生衍射，再經(jīng)透鏡折射會聚而成像,，由于電子束經(jīng)過高電壓加速而波長極短,，分辨率可以達0.1nm級別，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,，用來觀察納米級的微觀組織結(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——德國科學(xué)家E. Ruska在1986年因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎,。國內(nèi)外理工科大學(xué)的相關(guān)專業(yè)普遍開設(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)者如果沒有經(jīng)過大量的實踐訓(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,，“雖然我在法國留學(xué)時，常對著厚厚的一本TEM使用說明書操作儀器,，但直到現(xiàn)在我做實驗時,，仍有很多不懂的地方需要翻書?！?/p>
除了操作難度大外,，透射電子顯微鏡還是一款體積龐大、價格不菲的大設(shè)備,，每臺500多萬的價格,，也使得它并不能大量采購和普遍裝備?！翱蒲猩隙加貌贿^來,，教學(xué)使用更是排不上，用不起,。北理工目前有2臺TEM，工作量十分飽滿,，做實驗的學(xué)生需要提前預(yù)約,，為了保障設(shè)備運行和實驗結(jié)果,，大多數(shù)情況下都由老師親自操作或者現(xiàn)場指導(dǎo)。這樣一來,，針對TEM開展學(xué)習(xí)實踐的機會就非常有限,，也直接影響到學(xué)生的能力培養(yǎng)和科研效果?！碧K鐵健對此深有體會,。
而由北理工學(xué)生團隊創(chuàng)新研制的“透射電子顯微鏡模擬器”（TEMS）則巧妙的使用可見的532 nm激光束代替了TEM中不可見的高能電子束，并模擬了其衍射和成像的全過程,，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)計并制作能夠搭載可以移動光學(xué)系統(tǒng)的機械系統(tǒng),，并配套設(shè)計了控制機械系統(tǒng)運動的控制系統(tǒng),、能夠采集與處理圖像的硬件系統(tǒng)與計算機程序，最后通過總裝環(huán)節(jié)集成光學(xué)系統(tǒng),、機械系統(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)實踐活動中得到應(yīng)用驗證,，受到師生們的一致好評,，取得良好的教學(xué)效果，實現(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)實驗儀器設(shè)計得當，會對學(xué)生培養(yǎng)和科學(xué)研究起到事半功倍的作用,，但是目前國內(nèi)的大學(xué)課堂對教學(xué)實驗儀器的使用重視不夠,，當然這也和這類儀器設(shè)備的設(shè)計構(gòu)思具有一定難度有關(guān)系，不僅要熟知所模擬對象,，還要抽象出基本原理,，還要去尋找實現(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，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TEMS的操作快速認識和掌握TEM,。與TEM相比，其價格和維護成本低,、易于維護,、使用簡單、生成的現(xiàn)象直觀,，降低了各高校在開展TEM教學(xué)時的設(shè)備門檻,，適用于高等院校電子顯微分析類課程的學(xué)生實踐訓(xùn)練，以及實驗室人員培訓(xùn)等,，也適合面向中小學(xué)生開展科普教育,。
“該作品是一個涵蓋材料、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,，開發(fā)的軟件能夠直接對結(jié)果進行處理，使設(shè)備原理更為清晰可視,；該作品對相關(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,，可以推向國際市場,，特別是科研經(jīng)費不足的發(fā)展中國家，作品產(chǎn)業(yè)化可操作性強,；建議申報國家教學(xué)成果獎,，用高端教學(xué)儀器開發(fā)帶動教學(xué)改革?！边@是在獲評2017年全國挑戰(zhàn)杯一等獎評選過程中,，專家一段中肯的評價?！拔覀兊淖髌凡粌H專家評價高,，更關(guān)鍵的是受到在場高校同行老師和學(xué)生的高度關(guān)注與評價，市民開放日當天,，吸引了記者,、中小學(xué)生、廣大市民的關(guān)注,，結(jié)束時仍然有很多學(xué)生與我們進行交流,，我們用自身行動踐行了‘大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新’！” 譚成文介紹說,。
“讓更多的學(xué)生受益,，就是這個科技創(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,！”
