【學(xué)以精工】TEMS：“玩轉(zhuǎn)”高端設(shè)備的“模仿秀”
——【人才培養(yǎng)系列報道】記第15屆全國“挑戰(zhàn)杯”一等獎獲獎作品TEMS
發(fā)布日期：2018-07-20 供稿：黨委宣傳部 王朝陽 攝影：材料學(xué)院
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北理工李斌斌同學(xué)為工業(yè)和信息化部部長苗圩講解TEMS
2018年6月14日,，在2017年度“工信創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)特等獎學(xué)金”頒獎典禮展會上，“透射電子顯微鏡模擬器”（以下簡稱：TEMS）作為北京理工大學(xué)參展的唯一跨學(xué)科團隊作品，獲得了工業(yè)和信息化部部長苗圩的關(guān)注和贊賞,。苗圩說：“使用高端、精密的儀器培訓(xùn)學(xué)生非常關(guān)鍵,，學(xué)科交叉對于科研非常重要,。”
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“TEMS”參賽隊員合影
這款極具創(chuàng)造性的教輔儀器由岳峻逸,、姜威宇,、李斌斌、張思蒙等八位學(xué)生組成的團隊研制而成,，材料學(xué)院蘇鐵健與譚成文擔(dān)任指導(dǎo)教師,。TEMS能夠有效模擬透射電子顯微鏡成像原理及功能，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，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,。憑借出色的創(chuàng)新設(shè)計,，2017年11月，TEMS榮獲第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎,。
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,，這離不開各種先進性觀察設(shè)備,，而透射電子顯微鏡（TEM）就是目前最為常見的一種高水平觀察設(shè)備，廣泛應(yīng)用于生物,、化學(xué)和材料等科學(xué)領(lǐng)域,。TEM雖然常用，但復(fù)雜的操作和昂貴的價格,，讓它并不“親民”,。如何讓大學(xué)生便利地學(xué)習(xí)掌握TEM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)生的“靈光一現(xiàn)”,，老師們沒有絲毫懈怠,，“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,，不久一份由學(xué)生們執(zhí)筆完成的TEM模擬器的設(shè)計方案就形成了。
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)生們經(jīng)過精心構(gòu)思和反復(fù)推敲設(shè)計，不斷解決研制中的問題,，終于用了2年時間,，制作出這款造價僅有5萬元左右的TEMS,。
TEMS的外貌設(shè)計圖
“真正的TEM在工作時，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,，這讓我們能夠更好地理解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(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。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?！?/p>
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(dāng)然，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,！”計算機學(xué)院李斌斌介紹道。
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(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。
“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,，“我在法國留學(xué)時，就常對著厚厚的一本TEM使用說明書操作儀器,，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,。北理工目前擁有的TEM,，工作量十分飽滿,，使用需要提前預(yù)約,，為了保障設(shè)備運行和實驗結(jié)果,，大多數(shù)情況下老師會親自操作或者現(xiàn)場指導(dǎo)。因此,，學(xué)生們針對TEM開展學(xué)習(xí)實踐的機會就非常有限,。”譚成文對此深有體會,。
TEMS的可視化光路
“使用可見的532 nm激光束代替了TEM中不可見的高能電子束,，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)……”,，這款創(chuàng)新研制的TEMS設(shè)備,，憑借創(chuàng)新的原理、完備的功能和“低端”的價格,，目前已經(jīng)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)課程中使用,，同時,，還在海淀區(qū)中學(xué)生科學(xué)實踐活動中得到應(yīng)用，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
蘇鐵健老師在全國“挑戰(zhàn)杯”現(xiàn)場給參觀的小學(xué)生講解TEMS
“我們的作品不僅專家評價高,，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(dāng)天,，吸引了記者,、中小學(xué)生、廣大市民的關(guān)注,，結(jié)束時仍然有很多觀眾與我們進行交流,，我們用自身行動踐行了‘大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新’,！”姜威宇回憶起“挑戰(zhàn)杯”競賽場景時說道,。
“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,。”這是在獲評2017年全國“挑戰(zhàn)杯”一等獎評選過程中,，評審專家們的一段評語,。
“教學(xué)實驗儀器設(shè)計得當(dāng)，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(dāng)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,。”蘇鐵健向我們闡釋了他對于教學(xué)儀器的理解,。
TEMS是為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。在評委及高校老師們的眼中,，學(xué)生創(chuàng)新的火花很可能帶來一場不小的教學(xué)改革,。
“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！”
