中国研制照亮微观世界的“闪光灯”

中国16日宣布研制成功世界上最亮的极紫外自由电子激光装置。这一“黑科技”好似照亮微观世界的“闪光灯”，其众多用途中包括能让生成雾霾的污染物分子无处遁形。

“大连光源”。图为中科院上海应用物理研究所胡蔚成摄

由中国科学院大连化学物理研究所和上海应用物理研究所联合研制的极紫外自由电子激光装置——“大连光源”15日发出了世界上最强的极紫外自由电子激光脉冲，单个皮秒激光脉冲产生140万亿个光子，成为世界上最亮且波长完全可调的极紫外自由电子激光光源。

那究竟有多亮？峰值亮度可以达到太阳光的100亿倍的100亿倍。

不过人类并不能看到。这束光在极紫外波段，而且只能在真空中传播，一切都发生在“大连光源”100多米长错综复杂的管线与设备中。

中科院院士、大连化学物理研究所副所长杨学明说，自由电子激光是国际上最先进的新一代光源，在科学研究、国防科技发展中有着重要的应用前景，为探索未知物质世界、发现新科学规律、实现技术变革提供了前所未有的研究工具。

“这是世界上第一套这样的装置，欢迎全世界科学家来使用。”杨学明说。

又亮又快

随着人类对自然界认识的不断深入，科学家已经知道与人类生活息息相关的很多物理和化学过程在本质上都是原子和分子过程，比如臭氧层空洞的形成涉及大气上层臭氧分子的淬灭机制，雾霾的形成涉及污染物分子（SO2、CO等）聚集过程，燃烧过程涉及氧原子或氧分子与其他分子的反应等一系列过程。

“大连光源”。 图为中科院上海应用物理研究所胡蔚成摄

“要控制或利用这些物理和化学过程，我们就需要在实验室里研究这些过程所涉及的原子和分子的反应机制，因此就需要精确并且高灵敏度地探测所涉及的原子和分子。”杨学明说。

他说，在“大连光源”极紫外光照射下的区域内，几乎所有的原子和分子都无处遁形，因此它是研究与原子、分子过程相关的物理、化学问题强有力的利器。

在探测中，光源的亮度和速度是关键。

“亮度高，就可以非常灵敏地探测，极少量的分子或者产物都能看得清楚。”杨学明说，“速度要快，是因为很多物理、化学、生物反应都发生在飞秒或皮秒的时间尺度。我们不仅仅要探测微观世界的结构，还要研究过程，到底是怎么发生的，所以只有快速的‘闪光灯’才能抓住这些瞬间。”

中科院上海应用物理研究所所长赵振堂说：“一百年前人们争论马奔跑时，有没有四脚腾空的时刻。最后解决这个问题的是高速摄像机。工具快到一定程度就能把瞬间状态捕捉。我们研制的这个装置是能够给分子反应‘摄像’的工具，希望能够解决很多前沿科学问题。”

更好理解雾霾形成机理

据介绍，“大连光源”在化学、能源、物理、生物、环境等研究领域有着广泛的应用前景。而最让百姓关注的是对雾霾的研究。

2017年1月3日，北京的雾霾天气。新华社记者李欣摄

杨学明说：“从根本上理解大气雾霾的形成和生长机理对大气污染的防治非常重要。这个装置可以探测雾霾如何从小分子一步步成长为团簇，更好地理解雾霾的发生机理。”

专家说，大气中的化学物质与水分子作用之后，形成分子团簇，这些团簇在生长过程中吸附大气中各种污染分子以及水分子，生长为较大的气溶胶颗粒，并逐渐成长为雾霾。“大连光源”可以用于解析大气化学中性团簇的精细结构，揭示大气中气溶胶的成核动力学机制。

大连化学物理研究所研究员张未卿说，高效利用能源以及减少污染排放是重要的世界性问题。研究能源相关分子体系的量子结构以及它们的功能是能源基础研究的关键。“大连光源”将被应用于燃烧过程中重要产物以及中间体的探测，为阐明燃烧过程中的化学机理提供坚实基础。

此外，半导体芯片技术的快速发展主要依赖于激光光刻技术。而高强度的短波长光源是推动半导体器件向更小尺寸发展的关键。“大连光源”有望为未来更小尺寸的光刻技术发展提供可靠的光源。而在生命科学领域，“大连光源”有望推动生物分子序列、结构以及功能的研究。

据介绍，“大连光源”项目得到了国家自然科学基金委国家重大仪器专项的资助，项目于2012年初启动，2014年10月正式在大连长兴岛开工建设，总投资达1.4亿元，装置中90%的设备由中国自主研发。这一光源的成功研制为中国未来发展X射线波段的自由电子激光打下了坚实基础。

（原标题：中国研制照亮微观世界的“闪光灯”）