這位浙江大學的研究人員是如何通過開發世界上最小的光譜儀來做到這一點的?

Mondo 科學 更新 2024-01-31

“我們用肉眼看到的世界不是真實的世界,而只是我們腦海中紅色、綠色和藍色的投影。 2024年,牛頓發現太陽光通過稜鏡折射時可以觀察到更多的光譜顏色,這個實驗導致了光譜儀的誕生。 在光譜儀的幫助下,人類掌握了準確檢測物質的新能力。

300多年後,一位來自中國浙江的年輕學生來到劍橋,來到了牛頓受到啟發的地方。 在這裡,他萌生了乙個異想天開的想法,即開發一種新型奈米線材料,突破在微公尺尺度上實現大光譜色散的科學難題,解決傳統光譜儀無法兼顧小尺寸和高效能的挑戰。 他就是2024年達摩院青年獎獲得者楊宗銀。

12月27日,2024年度達摩院青年學者獎獲獎名單正式揭曉,楊宗寅作為15位獲獎青年學者之一,將獲得100萬元的酌情獎勵。 達摩院青年研究員獎旨在發掘和幫助更多在推動科技進步中發揮重要作用的35歲以下中國青年科學家,鼓勵他們在重大科研中發揮引領作用,發揮示範作用,帶動更多人關注並投身科學研究。

世界上最先進的材料合成,最精湛的實驗技巧,最巧妙的演算法”。

楊宗寅現為浙江大學資訊與電子工程學院百人計畫研究員,主要研究方向為半導體光電感測器。 楊宗寅的辦公桌上放著兩台光譜儀,一台像老式電視機,另一台有飲料瓶蓋那麼大。 而就是這樣乙個只有飲料瓶蓋大小的裝置,楊宗寅研究了8年,裡面有150多次失敗。

光譜儀廣泛應用於科學研究和工業生產中,它們大多體積較大,工作方式仍與牛頓實驗相似,但已不能滿足日益增長的光譜應用技術的需要。 由於縮小光譜和探測元件的尺寸會導致光譜儀的探測質量顯著下降,因此光譜儀的小型化是科技界面臨的重大技術挑戰。

楊宗寅研發的微型光譜儀尺寸只有幾十微公尺,不需要孤立的光譜和檢測元件,是市場上最小的光譜儀的千分之一。 更值得一提的是,與成本上萬元的光譜儀相比,這款微型光譜儀**低至50元,通過進一步開發,可以嵌入手機、無人機和可穿戴裝置中。 未來,用手機掃瞄檢測蔬菜水果中的農藥殘留,“讀取”牛奶中是否含有三聚氰胺,血糖指數隨時檢測無害......這些科幻電影中的場景很可能會成為現實。

回首那些年,楊宗寅是每天最後乙個離開劍橋大學電子工程系實驗樓的人,“很煎熬,也很值得”,這也為他日後培養埋頭做科研的性格打下了堅實的基礎。

但當時的楊宗寅並非沒有動搖,“每天晚上10點左右實驗結束後,騎車穿過劍橋市中心璀璨的燈光,看到大家打扮得漂漂亮亮,在酒吧裡放鬆,我也會懷疑自己是不是沒有融入當地的生活。 但想到如果有可能使這項研究成為可能,它將開闢乙個新的領域,我興奮地騎車回家,然後第二天我滿懷信心地去了實驗室。 ”

楊宗寅也經歷了最黑暗的時刻,2024年,他在150多次失敗後陷入了自我懷疑,他停止了半年的實驗。 但他心裡還是不甘心:“三年的辛苦是白費了嗎?而轉折點出現在乙個普通的早晨,楊宗寅和另一位跑友聊起了最近在晨跑時遇到的麻煩,朋友聽後問他:“會不會是某個演算法出了問題?楊宗寅忽然彷彿看到了曙光。

2024年8月,乙個星期六的晚上,楊宗寅在實驗室裡測量了這個訊號,他簡直不敢相信自己的眼睛,並多次驗證它與商用光譜儀的測量結果一致。 他在日記中寫道:“那一刻,我百感交集,想著這幾年的所有經歷,乙個人在實驗室裡坐了很久很久。 ”

令人高興的是,他的**於次年5月投稿於《科學》雜誌,並於7月被錄用。 《科學》雜誌編輯評價稱,這一成果是“世界上最先進的材料合成、最精湛的實驗技巧、最巧妙的演算法”,而楊宗寅的科研成果也讓中國在光譜儀小型化領域走在了世界前列。

理論科學家突破了人類的界限,而應用科學家則為造福社會而製造工具。

我從小就喜歡做一些與機電相關的研究。 我最喜歡的動漫是機器貓,哆啦A夢。 我認為創造更多有趣的發明是我的人生目標。 楊宗寅出生於溫州蒼南,小時候也是個頭疼的“毀滅之王”。

因為當時物質條件不豐富,沒有玩具,所以他以拆解電器和做小發明為樂。 為此,他也受到了父母的批評。 他總是把家裡的收音機、鬧鐘甚至電視機都拆開,研究這個機制。

其實很多時候都是因為沒有飾品店,所以東牆只能拆掉,補上西牆。 他製作的隨燈自動熄滅的鬧鐘,在河中可以自動啟動的船,以及光控燈,都是他小時候自娛自樂的小玩具。

楊宗寅從小就對各種科學問題感興趣,在他看來,做科學家是個不錯的職業,他有興趣,也能夠做一些探索未來的工作。 理論科學家突破了人類的界限,而應用科學家則為造福社會而製造工具。”

循著夢想的軌跡,考入浙江大學機械工程系攻讀學士學位,並將碩士學位送到自己喜歡的光電子研究領域,然後獲得全額獎學金去劍橋大學攻讀博士學位,並繼承了牛頓的思想,將光譜儀推向奈米時代, 這可能會創造更大的技術應用前景。

他總結說,小時候造機器的想法並不是對科學的全面理解,當時對科學的理解是視線中的迴路,但當認知邊界擴大時,他想做出更前沿的科學成果,而這些想法也為他打造“世界上最小的奈米光譜儀”奠定了基礎。

當我去劍橋時,我非常興奮地看到擊中牛頓的蘋果樹的後代被種植在劍橋三一學院門前。 楊宗寅說,當時的震驚很難表達,那一刻的他離夢寐以求的科學家那麼近了。 “當時發表的《科學》雜誌文章,劍橋大學的新聞稿,標題是'超越牛頓光學的極限'。 我真正受到牛頓光學的啟發,使它變得更小,我碰巧在劍橋成功了,我認為這也與它有關。 ”

如今,學識淵博的楊宗寅已經回到母校浙江大學,專注於將光譜儀小型化的成果轉化為產業化應用,而無創血糖檢測是核心應用場景之一。 因為親戚朋友中有糖尿病患者,楊宗寅看到了糖尿病患者生活中的諸多不便,“我每天都要刺傷我的手,這實在是太難受了,中國有上億糖尿病患者,希望能把光譜儀的技術推廣下去,真正幫助他們。 ”

楊宗寅這次獲得綠橙獎也有些激動:“綠橙獎與其他學術評選非常不同,不僅最優秀,也不僅僅是資歷,還有技術的創新和應用,在學術界的認可度非常高。 ”

35歲的楊宗寅,是他第一次也是最後一次獲得這個獎項。 “你所做的研究要麼在書架上,要麼在教科書上,如果你能兩者兼而有之,你的生活就真正完整了。 他是這麼說的。

記者 莊正月,編輯 徐勝哲 評論 吳京.

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