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探究生命與物質奧秘 中國再鑄“利器”

2019-07-01 10:25 科技日報

6月29日,北京風和日麗。在美麗的雁棲湖附近,懷柔科學城兩個大科學裝置——高能同步輻射光源(HEPS)和多模態跨尺度生物醫學成像設施同日開建。一個是探測微觀世界的“超級顯微鏡”,另一個是生命醫學領域世界一流的重大科技設施。

不久前,美國能源部基礎能源科學顧問委員研究報告《調控物質和能量:科學的五個挑戰及展望》指出,“當前,人類已進入物質調控時代。通過更精細地認識物質(包括生命物質和非生命物質),在原子甚至電子水平調控物質,使其具有期望的功能和性能。先進光源在其中起著關鍵作用”。顯然,為讓人類游刃于物質調控時代,中國正鑄造兩把“利器”。

造把“放大鏡”探清微觀世界 精細到10納米量級

“光越強,就越容易看得清楚。高能同步輻射光源的建筑外形猶如‘放大鏡’,寓意為探測微觀世界的利器,可達10納米量級空間分辨能力。”高能同步輻射光源項目副總經理、中科院高能物理研究所多學科中心主任董宇輝在接受科技日報記者采訪時表示。

“要看清楚粵港澳大橋上某個工件如何斷裂,目前我們不能做到,而若模擬南方高鹽、高濕、高溫環境下工件的狀態,用先進光源觀察,可以看到其材料分子級的裂縫程度,從而可實現在其變化過程中的關鍵環節進行調控。”董宇輝表示,這種明察秋毫的本領適用于解決很多行業中的共性問題,可廣泛應用到先進材料、航空航天、能源、醫藥、化工、生物工程和微細加工等領域,提供突破瓶頸問題的手段,從而推動技術創新,提升企業核心競爭力,促進相關高科技產業發展。

高能同步輻射光源項目經理、中科院高能物理研究所副所長秦慶表示:“HEPS項目是在不斷研發、攻克難題中推進建設的,主要包括加速器、光束線站及輔助設施等,預計2025年建成運行,新建建筑面積12.5萬平方米。”

據秦慶介紹,HEPS主加速器的周長為1360.4米,電子束流能量為60億電子伏特,設計亮度極高。主加速器采用7BA彎鐵消色散的結構單元,可實現電子束流的水平自然發射度小于60皮米·弧度,這也是第四代衍射極限光源的主要特點。這個設施將建設不少于90條高性能光束線和實驗站的能力,可提供能量高達30萬電子伏特并具有高亮度、高相干性等特點的同步輻射光,以及具備納米量級空間分辨、皮秒量級時間分辨、毫電子伏特量級能量分辨能力。

據介紹,建成后的HEPS將是我國第一臺高能同步輻射光源,也是世界上亮度最高的第四代同步輻射光源之一。

生物醫學全功能研究平臺 將達世界一流水準

“我們知道,同一尺寸下,顯示分辨率越大,圖像越小,反之越大。而多模態跨尺度生物醫學成像裝置可以實現顯示分辨率越大,圖像越大的效果。而且還可以從不同時間和空間尺度上形成‘全景圖’。”多模態跨尺度生物醫學成像項目副總工程師、北京大學教授孫育杰告訴記者。

孫育杰進一步解釋道:“生命科學研究的對象小到分子活動,大到動植物的生長,從納米級到分米級,從毫秒級到月、年,這就需要更清晰的成像技術。如要了解人是如何思考的,就要對人腦研究,神經網絡中有10億多個神經元,神經突觸達千億級。針對不同尺度,用顯微鏡看神經元細胞的大分子,用電鏡技術探看神經突觸,用磁共振技術觀察腦部的其他活動等,然后我們通過影像技術分析及大量計算,最終把不同空間、時間尺度的研究對象模態融合成完整的立體圖像信息。”

“猶如谷歌地圖一樣,既有整個城市的信息,又能不斷放大,從北京找到頤和園路,找到北京大學,還可以記錄變化過程中的細節。”孫育杰表示。

據介紹,多模態跨尺度生物醫學成像設施由北京大學作為法人單位,聯合中科院生物物理所建設的國家重大科技基礎設施,總投資17.35億元,預計2023年建成運行。將實現高端生物醫學影像儀器裝備的“中國創造”,成為生命醫學領域世界一流的重大科技設施。

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