【學(xué)以精工】TEMS：“玩轉(zhuǎn)”高端設(shè)備的“模仿秀”
——【人才培養(yǎng)系列報(bào)道】記第15屆全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”一等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)作品TEMS
發(fā)布日期：2018-07-20 供稿：黨委宣傳部 王朝陽 攝影：材料學(xué)院
編輯：王朝陽 審核：藺偉、張青山 閱讀次數(shù)：
北理工李斌斌同學(xué)為工業(yè)和信息化部部長(zhǎng)苗圩講解TEMS
2018年6月14日,，在2017年度“工信創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)特等獎(jiǎng)學(xué)金”頒獎(jiǎng)典禮展會(huì)上,，“透射電子顯微鏡模擬器”（以下簡(jiǎn)稱：TEMS）作為北京理工大學(xué)參展的唯一跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)作品，獲得了工業(yè)和信息化部部長(zhǎng)苗圩的關(guān)注和贊賞,。苗圩說：“使用高端,、精密的儀器培訓(xùn)學(xué)生非常關(guān)鍵，學(xué)科交叉對(duì)于科研非常重要,?！?/p>
第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽“TEMS”參賽隊(duì)員合影
這款極具創(chuàng)造性的教輔儀器由岳峻逸、姜威宇,、李斌斌,、張思蒙等八位學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)研制而成，材料學(xué)院蘇鐵健與譚成文擔(dān)任指導(dǎo)教師,。TEMS能夠有效模擬透射電子顯微鏡成像原理及功能,，實(shí)現(xiàn)對(duì)高端科研設(shè)備原理講授、學(xué)習(xí)使用的便利化,，為更廣泛地開展透射電子顯微鏡理論學(xué)習(xí)和上機(jī)實(shí)訓(xùn)需求創(chuàng)造了條件,，這款教輔工具填補(bǔ)了對(duì)透射電子顯微鏡操作流程可視化展示的國(guó)內(nèi)空白,。憑借出色的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，2017年11月,，TEMS榮獲第十五屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng),。
從TEM到TEMS，“一樣也不一樣”的“模仿秀”
伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，探索物質(zhì)的微觀世界,，是當(dāng)今世界前沿科技的研究熱點(diǎn)，這離不開各種先進(jìn)性觀察設(shè)備,，而透射電子顯微鏡（TEM）就是目前最為常見的一種高水平觀察設(shè)備,，廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)和材料等科學(xué)領(lǐng)域,。TEM雖然常用,，但復(fù)雜的操作和昂貴的價(jià)格，讓它并不“親民”,。如何讓大學(xué)生便利地學(xué)習(xí)掌握TEM一直讓從事相關(guān)研究的蘇鐵健“耿耿于懷”,。
創(chuàng)新的靈感總是在長(zhǎng)期思考中爆發(fā)，蘇鐵健的這件心事,，也成為學(xué)生們一項(xiàng)思考的命題,。某日，岳峻逸等幾位同學(xué)看到蘇老師在課堂上用手中的激光筆照射光柵時(shí),，在墻上形成很多亮點(diǎn)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(duì)學(xué)生的“靈光一現(xiàn)”，老師們沒有絲毫懈怠,，“學(xué)生的創(chuàng)新思維,，有時(shí)候不可小覷”，長(zhǎng)期從事科研工作和指導(dǎo)學(xué)生的豐富經(jīng)驗(yàn),，讓蘇鐵健和譚成文兩位老師敏銳地意識(shí)到,，學(xué)生的想法大有可為，他們隨即與岳峻逸等學(xué)生一起深入探討,，伴隨著思路的逐漸打開,，師生們一拍即合，不久一份由學(xué)生們執(zhí)筆完成的TEM模擬器的設(shè)計(jì)方案就形成了,。
從一紙方案到一方實(shí)物,，還需要一番心路歷程,，兩位老師與學(xué)生們經(jīng)過精心構(gòu)思和反復(fù)推敲設(shè)計(jì)，不斷解決研制中的問題,，終于用了2年時(shí)間,，制作出這款造價(jià)僅有5萬元左右的TEMS。
TEMS的外貌設(shè)計(jì)圖
“真正的TEM在工作時(shí),，由于發(fā)射的是電子束,，相當(dāng)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(xué)儀器時(shí)，運(yùn)用激光,，你就可以對(duì)其工作原理一目了然,，這讓我們能夠更好地理解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(cè)的材料樣品,，光柵的條文疏密還有方向相當(dāng)于材料樣品的微觀結(jié)構(gòu)，激光照射后,，光發(fā)生偏轉(zhuǎn),，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(diǎn),。通過測(cè)量亮點(diǎn)的間距，就可以算出光柵的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),，這一過程和電子束檢測(cè)材料樣品過程和原理是一致的,。”
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(shè)計(jì),，開發(fā)出能精準(zhǔn)控制設(shè)備運(yùn)行,、直觀輸出結(jié)果的計(jì)算機(jī)程序，建構(gòu)了友好的人機(jī)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(shí)驗(yàn)效果測(cè)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(zhuǎn)換關(guān)系。當(dāng)然,，作為一款教學(xué)儀器,，TEMS在分析精度方面稍顯遜色?！帮@微鏡分辨率跟波長(zhǎng)有關(guān),，激光束光源的波長(zhǎng)是0.5個(gè)微米，而電子可以達(dá)到原子級(jí)別,，也就是說TEM可以看到納米尺度的材料結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),，但TEMS只能展現(xiàn)到微米級(jí)細(xì)節(jié)，‘本尊’畢竟是‘本尊’嘛,！”計(jì)算機(jī)學(xué)院李斌斌介紹道,。
從TEM到TEMS，讓更多的學(xué)生“玩轉(zhuǎn)”高端設(shè)備
材料的微觀結(jié)構(gòu)決定了材料的各種宏觀性能,，如強(qiáng)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(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，當(dāng)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,。
“TEM的工作原理涉及量子力學(xué)、物理光學(xué)等看不見摸不著的并且十分抽象的現(xiàn)代物理理論,，初學(xué)者如果沒有經(jīng)過大量的實(shí)踐訓(xùn)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,，“我在法國(guó)留學(xué)時(shí),，就常對(duì)著厚厚的一本TEM使用說明書操作儀器，直到現(xiàn)在我做實(shí)驗(yàn)時(shí),，仍有很多不懂的地方需要翻書,。”
除了操作難度大外,，透射電子顯微鏡還是一款體積龐大,、價(jià)格不菲的大設(shè)備，每臺(tái)500多萬的價(jià)格,，也使得它并不能大量采購(gòu)和普遍裝備,。“科研上都用不過來，教學(xué)使用更是排不上,、用不起,。北理工目前擁有的TEM，工作量十分飽滿,，使用需要提前預(yù)約,，為了保障設(shè)備運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大多數(shù)情況下老師會(huì)親自操作或者現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo),。因此,，學(xué)生們針對(duì)TEM開展學(xué)習(xí)實(shí)踐的機(jī)會(huì)就非常有限?！弊T成文對(duì)此深有體會(huì),。
TEMS的可視化光路
“使用可見的532 nm激光束代替了TEM中不可見的高能電子束，以傅里葉光學(xué)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(gòu)TEMS的光學(xué)系統(tǒng)……”,，這款創(chuàng)新研制的TEMS設(shè)備，憑借創(chuàng)新的原理,、完備的功能和“低端”的價(jià)格,，目前已經(jīng)在昆明理工大學(xué)、華北理工大學(xué),、中南大學(xué)和我校的相關(guān)專業(yè)課程中使用,，同時(shí)，還在海淀區(qū)中學(xué)生科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中得到應(yīng)用,，受到師生們的一致好評(píng),，取得良好的教學(xué)效果，實(shí)現(xiàn)了讓更多的學(xué)生和初學(xué)者可以“玩轉(zhuǎn)”TEM這樣的高端設(shè)備,。
從TEM到TEMS,，為教學(xué)儀器領(lǐng)域創(chuàng)新寫下精彩一筆
蘇鐵健老師在全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”現(xiàn)場(chǎng)給參觀的小學(xué)生講解TEMS
“我們的作品不僅專家評(píng)價(jià)高，更關(guān)鍵的是受到在場(chǎng)高校同行老師和學(xué)生的高度關(guān)注與評(píng)價(jià),，市民開放日當(dāng)天,，吸引了記者、中小學(xué)生,、廣大市民的關(guān)注，結(jié)束時(shí)仍然有很多觀眾與我們進(jìn)行交流,，我們用自身行動(dòng)踐行了‘大眾創(chuàng)業(yè),、萬眾創(chuàng)新’！”姜威宇回憶起“挑戰(zhàn)杯”競(jìng)賽場(chǎng)景時(shí)說道,。
“該作品是一個(gè)涵蓋材料,、光電及軟件等學(xué)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(duì)結(jié)果進(jìn)行處理,，使設(shè)備原理更為清晰可視,；該作品對(duì)相關(guān)學(xué)科的高校本科教學(xué)很重要，有很大的發(fā)展空間和前景,；該設(shè)備成本低,，可以推向國(guó)際市場(chǎng)，特別是科研經(jīng)費(fèi)不足的發(fā)展中國(guó)家,，作品產(chǎn)業(yè)化可操作性強(qiáng),；建議申報(bào)國(guó)家教學(xué)成果獎(jiǎng)，用高端教學(xué)儀器開發(fā)帶動(dòng)教學(xué)改革,?！边@是在獲評(píng)2017年全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”一等獎(jiǎng)評(píng)選過程中，評(píng)審專家們的一段評(píng)語,。
“教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)得當(dāng),，會(huì)對(duì)學(xué)生培養(yǎng)和科學(xué)研究起到事半功倍的作用，但是目前國(guó)內(nèi)的大學(xué)課堂對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的使用重視不夠,，當(dāng)然這也和這類儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)構(gòu)思具有一定難度有關(guān)系,，不僅要熟知所模擬對(duì)象，還要抽象出基本原理,，還要去尋找實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段,，考慮展示效果和成本，可謂是難上加難,，在我看來,，教學(xué)儀器的研制，是教學(xué)改革中的重要組成部分,?！碧K鐵健向我們闡釋了他對(duì)于教學(xué)儀器的理解。
TEMS是為TEM而專門設(shè)計(jì)的一種教學(xué)培訓(xùn)和科普展示儀器,，目的是幫助初學(xué)者通過TEMS的操作快速認(rèn)識(shí)和掌握TEM,。與TEM相比，其價(jià)格和維護(hù)成本低,、易于維護(hù),、使用簡(jiǎn)單、生成的現(xiàn)象直觀,，降低了各高校在開展TEM教學(xué)時(shí)的設(shè)備門檻,，適用于高等院校電子顯微分析類課程的學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練，以及實(shí)驗(yàn)室人員培訓(xùn)等,，也適合面向中小學(xué)生開展科普教育,。在評(píng)委及高校老師們的眼中，學(xué)生創(chuàng)新的火花很可能帶來一場(chǎng)不小的教學(xué)改革。
“讓更多的學(xué)生受益,，就是這個(gè)科技創(chuàng)新的主要目的,。能為師生的教學(xué)科研提供些許幫助，讓學(xué)生們學(xué)有所獲,，是我們最大的自豪感和成就感,！”
