中國研制照亮微觀世界的“閃光燈”

中國16日宣布研制成功世界上最亮的極紫外自由電子激光裝置。這一“黑科技”好似照亮微觀世界的“閃光燈”，其眾多用途中包括能讓生成霧霾的污染物分子無處遁形。

“大連光源”。圖為中科院上海應用物理研究所胡蔚成攝

由中國科學院大連化學物理研究所和上海應用物理研究所聯(lián)合研制的極紫外自由電子激光裝置——“大連光源”15日發(fā)出了世界上最強的極紫外自由電子激光脈沖，單個皮秒激光脈沖產(chǎn)生140萬億個光子，成為世界上最亮且波長完全可調的極紫外自由電子激光光源。

那究竟有多亮？峰值亮度可以達到太陽光的100億倍的100億倍。

不過人類并不能看到。這束光在極紫外波段，而且只能在真空中傳播，一切都發(fā)生在“大連光源”100多米長錯綜復雜的管線與設備中。

中科院院士、大連化學物理研究所副所長楊學明說，自由電子激光是國際上最先進的新一代光源，在科學研究、國防科技發(fā)展中有著重要的應用前景，為探索未知物質世界、發(fā)現(xiàn)新科學規(guī)律、實現(xiàn)技術變革提供了前所未有的研究工具。

“這是世界上第一套這樣的裝置，歡迎全世界科學家來使用?！睏顚W明說。

又亮又快

隨著人類對自然界認識的不斷深入，科學家已經(jīng)知道與人類生活息息相關的很多物理和化學過程在本質上都是原子和分子過程，比如臭氧層空洞的形成涉及大氣上層臭氧分子的淬滅機制，霧霾的形成涉及污染物分子（SO2、CO等）聚集過程，燃燒過程涉及氧原子或氧分子與其他分子的反應等一系列過程。

“大連光源”。 圖為中科院上海應用物理研究所胡蔚成攝

“要控制或利用這些物理和化學過程，我們就需要在實驗室里研究這些過程所涉及的原子和分子的反應機制，因此就需要精確并且高靈敏度地探測所涉及的原子和分子?！睏顚W明說。

他說，在“大連光源”極紫外光照射下的區(qū)域內，幾乎所有的原子和分子都無處遁形，因此它是研究與原子、分子過程相關的物理、化學問題強有力的利器。

在探測中，光源的亮度和速度是關鍵。

“亮度高，就可以非常靈敏地探測，極少量的分子或者產(chǎn)物都能看得清楚。”楊學明說，“速度要快，是因為很多物理、化學、生物反應都發(fā)生在飛秒或皮秒的時間尺度。我們不僅僅要探測微觀世界的結構，還要研究過程，到底是怎么發(fā)生的，所以只有快速的‘閃光燈’才能抓住這些瞬間?！?/p>

中科院上海應用物理研究所所長趙振堂說：“一百年前人們爭論馬奔跑時，有沒有四腳騰空的時刻。最后解決這個問題的是高速攝像機。工具快到一定程度就能把瞬間狀態(tài)捕捉。我們研制的這個裝置是能夠給分子反應‘攝像’的工具，希望能夠解決很多前沿科學問題?！?/p>

更好理解霧霾形成機理

據(jù)介紹，“大連光源”在化學、能源、物理、生物、環(huán)境等研究領域有著廣泛的應用前景。而最讓百姓關注的是對霧霾的研究。

2017年1月3日，北京的霧霾天氣。新華社記者李欣攝

楊學明說：“從根本上理解大氣霧霾的形成和生長機理對大氣污染的防治非常重要。這個裝置可以探測霧霾如何從小分子一步步成長為團簇，更好地理解霧霾的發(fā)生機理?！?/p>

專家說，大氣中的化學物質與水分子作用之后，形成分子團簇，這些團簇在生長過程中吸附大氣中各種污染分子以及水分子，生長為較大的氣溶膠顆粒，并逐漸成長為霧霾?！按筮B光源”可以用于解析大氣化學中性團簇的精細結構，揭示大氣中氣溶膠的成核動力學機制。

大連化學物理研究所研究員張未卿說，高效利用能源以及減少污染排放是重要的世界性問題。研究能源相關分子體系的量子結構以及它們的功能是能源基礎研究的關鍵?！按筮B光源”將被應用于燃燒過程中重要產(chǎn)物以及中間體的探測，為闡明燃燒過程中的化學機理提供堅實基礎。

此外，半導體芯片技術的快速發(fā)展主要依賴于激光光刻技術。而高強度的短波長光源是推動半導體器件向更小尺寸發(fā)展的關鍵?！按筮B光源”有望為未來更小尺寸的光刻技術發(fā)展提供可靠的光源。而在生命科學領域，“大連光源”有望推動生物分子序列、結構以及功能的研究。

據(jù)介紹，“大連光源”項目得到了國家自然科學基金委國家重大儀器專項的資助，項目于2012年初啟動，2014年10月正式在大連長興島開工建設，總投資達1.4億元，裝置中90%的設備由中國自主研發(fā)。這一光源的成功研制為中國未來發(fā)展X射線波段的自由電子激光打下了堅實基礎。

（原標題：中國研制照亮微觀世界的“閃光燈”）