TEMS：“玩轉”高端設備的“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：材料學院
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2017年11月18日，在第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術科技作品競賽上，有這樣一款來自北理工學子研制的教學輔助儀器，憑借出色的創(chuàng)新設計在眾多的優(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材料學院蘇鐵健與譚成文老師指導，岳峻逸、姜威宇、李斌斌、張思蒙等八位學生組成的團隊研制。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)對高端科研設備原理講授、學習使用的便利化，為更廣泛地開展透射電子顯微鏡理論學習和上機實訓需求創(chuàng)造了條件。經(jīng)過專利檢索和文獻查詢，目前國內沒有發(fā)現(xiàn)相關的輔助教學與培訓設備，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空白。
從TEM到TEMS：“一樣也不一樣”的“模仿秀”
伴隨著科學技術的發(fā)展，探索物質的微觀世界，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備，廣泛應用于生物、化學和材料等科學領域。透射電子顯微鏡雖然常用，但復雜的操作和昂貴的價格，讓它并不“親民”。如何讓學生便利地學習掌握透射電子顯微鏡一直讓從事相關研究的蘇鐵健“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，也成為學生們一項思考的命題。某日，岳峻逸等幾位同學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。
而面對學生“靈光一現(xiàn)”，隨后的幾天中，老師們可沒有絲毫懈怠，“學生的創(chuàng)新思維，有時候不可小覷”，長期從事科研工作和指導學生的豐富經(jīng)驗，讓蘇鐵健和譚成文兩位老師敏銳地意識到，學生的想法大有可為，他們隨即與岳峻逸等學生一起深入探討，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，兩位老師與學生經(jīng)過精心構思和反復推敲設計，并認真指導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作為教學儀器時，運用激光，你就可以對其工作原理一目了然，這讓學生更好地理解了TEM的抽象概念和工作原理?！痹谰葸呎f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構，激光照射后，光發(fā)生偏轉，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構數(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)新設計，開發(fā)出能精準控制設備運行、直觀輸出結果的計算機程序，建構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換關系。當然也必須承認，與“本尊”相比，作為一款教學儀器，TEMS在分析精度方面稍顯遜色?！帮@微鏡分辨率跟波長有關，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構細節(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院學生姜威宇笑著說。
從TEM到TEMS，讓更多的學生“玩轉”高端設備
材料的微觀結構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，若想探究其內部的微觀結構，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，因此常被材料、物理、化學、生物、醫(yī)學以及地質等學科的研究者，用來觀察納米級的微觀組織結構，所以透射電子顯微鏡可以成為現(xiàn)代科學研究中最為重要、最為常用的觀察設備之一。透射電子顯微鏡發(fā)明者——德國科學家E. Ruska在1986年因此獲得諾貝爾物理學獎。國內外理工科大學的相關專業(yè)普遍開設透射電子顯微分析類課程。
“TEM的工作原理涉及量子力學、物理光學等看不見摸不著的并且十分抽象的現(xiàn)代物理理論，初學者如果沒有經(jīng)過大量的實踐訓練，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，做實驗的學生需要提前預約，為了保障設備運行和實驗結果，大多數(shù)情況下都由老師親自操作或者現(xiàn)場指導。這樣一來，針對TEM開展學習實踐的機會就非常有限，也直接影響到學生的能力培養(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TEMS的光學系統(tǒng)，利用SolidWorks軟件設計并制作能夠搭載可以移動光學系統(tǒng)的機械系統(tǒng)，并配套設計了控制機械系統(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”的教學儀器在北理工誕生，并且在昆明理工大學、華北理工大學、中南大學和我校的相關專業(yè)課程以及海淀區(qū)中學生科學實踐活動中得到應用驗證，受到師生們的一致好評，取得良好的教學效果，實現(xiàn)了讓更多的學生和初學者可以“玩轉”TEM這樣的高端設備。
從TEM到TEMS，為教學儀器領域創(chuàng)新寫下精彩一筆
“教學實驗儀器設計得當，會對學生培養(yǎng)和科學研究起到事半功倍的作用，但是目前國內的大學課堂對教學實驗儀器的使用重視不夠，當然這也和這類儀器設備的設計構思具有一定難度有關系，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)的技術手段，考慮展示效果和成本，可謂是難上加難，在我看來，教學儀器的研制，是教學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儀器的理解。
TEMS是為模擬透射電子顯微鏡（TEM）而專門設計的一種教學培訓和科普展示儀器，目的是幫助初學者通過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教學時的設備門檻，適用于高等院校電子顯微分析類課程的學生實踐訓練，以及實驗室人員培訓等，也適合面向中小學生開展科普教育。
“該作品是一個涵蓋材料、光電及軟件等學科的系統(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果進行處理，使設備原理更為清晰可視；該作品對相關學科的高校本科教學很重要，有很大的發(fā)展空間和前景；該設備成本低，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；建議申報國家教學成果獎，用高端教學儀器開發(fā)帶動教學改革?！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。“我們的作品不僅專家評價高，更關鍵的是受到在場高校同行老師和學生的高度關注與評價，市民開放日當天，吸引了記者、中小學生、廣大市民的關注，結束時仍然有很多學生與我們進行交流，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。
“讓更多的學生受益，就是這個科技創(chuàng)新的主要目的。能為師生的教學科研提供些許幫助，讓學生們學有所獲，是我們最大的自豪感和成就感！”
