Patente de invención de material físico
Los microscopios ópticos pueden observar células biológicas que son invisibles a simple vista. La invención del microscopio electrónico permitió a las personas ver mejor la estructura interna de las células. Con el avance de la ciencia y la tecnología, la llegada del primer microscopio de efecto túnel (STM) marcó la entrada de la humanidad en la era de la observación directa y la manipulación de átomos en el espacio real, abriendo otra puerta a la investigación científica.
Durante décadas, los científicos han estado a la vanguardia de este campo y han contribuido a la madurez, diversificación, división del trabajo y especialización de la microscopía de efecto túnel. Hoy en día, los microscopios de sonda de barrido permiten a las personas observar, sondear y manipular el mundo microscópico en la física de la materia condensada, la electrónica física, la biología, la electroquímica e incluso la aeronáutica.
El desarrollo de microscopios de sonda de barrido en diversas condiciones extremas siempre ha sido el foco de la investigación de los científicos. En condiciones extremas, como vacío ultraalto, baja temperatura y fuertes campos magnéticos, muchos materiales exhiben algunas propiedades físicas muy peculiares, como la superconductividad, el efecto Hall cuántico, la transición de fase cuántica, etc. Por lo tanto, construir un microscopio de sonda de barrido que pueda funcionar en condiciones extremas se ha convertido en el objetivo de muchos investigadores de todo el mundo. Dado que hay demasiados fenómenos físicos novedosos que pueden caracterizarse mediante microscopía de sonda de barrido bajo fuertes campos magnéticos, Lu Qingu, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China e investigador del Centro de Alto Campo Magnético del Instituto Hefei de Física Sciences, Academia de Ciencias de China, ha estado trabajando en temas clave en esta dirección durante muchos años y, junto con los miembros del equipo, se han logrado una serie de logros de investigación científica líderes en el mundo.
La belleza de la física reside en su universalidad. Como disciplina basada en experimentos científicos, resume reglas experimentales a través de diferentes fenómenos físicos, descubre misterios científicos y produce una serie de resultados de investigación científica de importancia universal.
Lu Qingyu, que proviene de una familia científica, ha estado profundamente involucrado en campos de investigación como la física y la química durante décadas después de que su padre y su madre se graduaran de la universidad. Afectados por la fuerte atmósfera de investigación científica en el país, tanto Lu Qingyu como su hermana menor, Lu Qingyi, se han embarcado en el camino de la investigación científica y están trabajando arduamente para producir más resultados de investigación científica.
Las empresas tecnológicas americanas siempre han estado en una posición de liderazgo a nivel mundial, y su gestión tecnológica es muy avanzada. Cuando todavía era estudiante, Lu Qingu hizo un plan para su vida: después de obtener su doctorado, esperaba trabajar en una empresa de tecnología estadounidense durante cinco años para comprender cómo operan y gestionan las empresas estadounidenses de alta tecnología y cómo se desarrolla la tecnología. cómo industrializarlo y luego mejorar los beneficios económicos del producto, y luego regresar a China para dedicarse a la investigación científica y la transformación de resultados.
En 2000, Lu Qingyu comenzó a desempeñarse como director técnico de Cypress Semiconductor Company en los Estados Unidos. Es una de las dos únicas personas con una visa de talento destacado O-1. Bajo la influencia del principio de investigación científica de la empresa de "trabajar duro, jugar duro", Luqin Gu y los miembros del equipo de investigación nunca aflojan en su trabajo. En su opinión, especialmente para el desarrollo de las mejores tecnologías y productos de investigación científica, muchos resultados de investigación científica que están por delante de los suyos en el mundo nacerán en milisegundos. Por lo tanto, al participar en una investigación científica, uno debe tener un sentido de urgencia y un sentido de esfuerzo e innovación continuos. Mientras trabajaba en Cypress Semiconductor Company en los Estados Unidos, Lu Qingyu se dedicaba principalmente al desarrollo de la tecnología VLSI y en 2004 se convirtió en el responsable del proyecto de 90 nm más avanzado en ese momento. Bajo su liderazgo, el equipo de investigación desarrolló con éxito el primer producto de chip QDR-SRAM de 72 megabits del mundo a través de una investigación continua, lo que provocó una gran respuesta en la industria.
La investigación científica se basa en las necesidades del país, que es la intención original de la investigación del uranio de Lu. "Mientras estudiaba en el extranjero, decidí que tenía que regresar a China. No había duda al respecto", dijo Lu. A sus ojos, lo más significativo es sembrar los resultados de la investigación científica en el suelo de la patria.
Después de dedicarse a la investigación científica en el extranjero durante muchos años, Lu Qingyu rechazó la oferta bien remunerada ofrecida por la empresa y regresó resueltamente a China. En 2005, se convirtió en profesor en el Centro Nacional de Investigación a Microescala de la Universidad de China. Universidad de Ciencia y Tecnología de China.
Después de llegar a esta plataforma, combinó sus bases de investigación anteriores y se centró en microscopios de barrido de efecto túnel desarrollados de forma independiente en diversas condiciones extremas (helio 3, temperatura extremadamente baja y refrigerador de dilución) y condiciones duras (imanes enfriados por agua e imanes híbridos con imanes ultrafuertes). campos), microscopía magnética y microscopía de fuerza atómica, y los aplicó a la investigación de imágenes sobre física de la materia condensada, nanomateriales y biomoléculas, y procesos químicos en soluciones activas, y logró una serie de resultados de investigación científica innovadores.
De hecho, remontándonos al origen, a principios de los años 80, G. Ningbin y H. Basil, del laboratorio IBM de Zúrich, inventaron el microscopio de efecto túnel (STM) con una resolución de 0,1 nm. Con el nacimiento de STM, los humanos han observado átomos individuales en el espacio real por primera vez y pueden manipular átomos en un vacío ultraalto y temperaturas ultrabajas. Basándose en el microscopio de efecto túnel, los investigadores han desarrollado microscopios de fuerza atómica, microscopios de fuerza magnética, microscopios ópticos de campo cercano, etc. Estos microscopios se denominan colectivamente microscopios de sonda de barrido. Porque todos se basan en puntas muy afiladas para escanear la superficie de la sustancia en estudio y detectar diferentes cantidades de interacciones entre la punta recolectada y la muestra, obteniendo así imágenes morfológicas de alta resolución espacial de la superficie de la muestra y las características eléctricas, ópticas y químicas asociadas. Por ejemplo, la microscopía de efecto túnel detecta corrientes de efecto túnel y la microscopía de fuerza atómica detecta interacciones entre átomos.
"Pero todos tienen defectos: tienen especial miedo a las vibraciones. Esperamos crear un microscopio con mejor rendimiento y esforzarnos por obtener mediciones sensibles y precisas a nivel atómico en diversas condiciones adversas". Qingyu. Existen varios ciclos de helio o ciclos de agua bajo temperaturas extremadamente bajas y campos magnéticos extremadamente altos, provocando graves vibraciones en todo el entorno. El microscopio de efecto túnel también es muy sensible incluso a interferencias débiles como la vibración y el sonido, por lo que impone altos requisitos a los dispositivos de aislamiento acústico y reducción de vibraciones para garantizar un entorno de imágenes "cuasiestático". "En este caso, debemos hacer todo lo posible para que el microscopio que desarrollamos sea más resistente a las vibraciones. Incluso en condiciones extremadamente duras, aún podemos observar imágenes de resolución atómica de alta definición, para formar nuestra ventaja técnica única", explica. .
Normalmente, si los científicos quieren obtener un entorno de campo magnético fuerte, optarán por convertir materiales superconductores en bobinas y luego sumergirlas en helio líquido. El material estará en un estado superconductor con resistencia cero. En este estado, se generará un fuerte campo magnético a través de una gran corriente sin generar calor. Sin embargo, este tipo de campo magnético superconductor tiene un inconveniente importante: el campo magnético no es lo suficientemente fuerte. Generalmente, cuando alcanza 20 Tesla o un poco más, se saldrá de control y no podrá aumentar.
En este caso, los científicos suelen optar por convertir el cobre en una bobina muy rígida para obtener un campo magnético ultrafuerte de más de 30 Tesla. Sin embargo, esta bobina de cobre requiere una corriente particularmente grande para generar una corriente súper fuerte. campo magnético. A diferencia de los materiales superconductores, este tipo de bobina tiene resistencia cero y genera un calor enorme, por lo que necesita ser enfriada por un potente flujo de agua a alta presión, lo que provocará enormes vibraciones. En condiciones tan duras, nadie en el mundo podría colocar un microscopio de resolución atómica en su interior para realizar observaciones.
El equipo de Luqing Uranium ha estado comprometido durante mucho tiempo con la obtención de imágenes de resolución atómica en condiciones duras, como fuertes vibraciones y entornos de reacción gas-líquido, y finalmente lo logró en las "condiciones ultra duras de fuertes imanes refrigerados por agua". " y "condiciones duras de soluciones de reacción" imágenes de resolución atómica de alta resolución. Después de años de investigación, desarrollaron de forma independiente el primer STM de resolución atómica de campo magnético ultrafuerte con imán refrigerado por agua del mundo y obtuvieron una imagen de resolución atómica sin precedentes bajo un campo magnético ultrafuerte de 27T. Sobre esta base, también desarrollaron de forma independiente el primer STM de resolución atómica de campo magnético ultrafuerte de imán híbrido del mundo y obtuvieron imágenes de resolución atómica bajo un campo magnético ultrafuerte récord de más de 30T. La investigación relevante se encuentra en una posición de liderazgo internacional.
Además, el equipo de Luqing Uranium también colocó STM de resolución atómica en algunas soluciones activas o químicas para observar imágenes de resolución atómica en este estado, superando los cuellos de botella de investigaciones anteriores y obteniendo imágenes de resolución atómica claras y estables. artículos relacionados publicados.
Comercialmente, la mayoría de los equipos de microscopios de efecto túnel de barrido de campo magnético alto y baja temperatura existentes se basan en imanes superconductores húmedos, que sufren de vibraciones débiles e interferencias de sonido. Sus inconvenientes están surgiendo gradualmente: el equipo es altamente. dependiente del suministro de helio líquido El suministro de helio líquido es cada vez más escaso y los costos operativos están aumentando, superando incluso con creces el costo del imán en sí. Además, los espectros de microscopía de efecto túnel (STM) de muestras importantes a menudo requieren continuos; y mediciones estables durante días o incluso semanas, mientras que los superconductores húmedos suelen ser difíciles de medir de una vez. El sexo dura tanto tiempo. La tendencia actual es que los imanes superconductores húmedos que dependen del helio líquido para enfriarse están recurriendo gradualmente a imanes superconductores secos que utilizan refrigeradores de ciclo de helio (sistemas cerrados que no requieren reposición de helio líquido o resonancia, crecimiento de muestras, etc.). ), pero el campo de aplicación del microscopio de efecto túnel aún está en blanco, principalmente porque los imanes superconductores secos producen una súper vibración y ruido acústico cuando funcionan.
En este contexto, después de una investigación continua, el equipo de investigación de Lu Qing Uranium desarrolló con éxito el primer microscopio de efecto túnel de barrido de resolución atómica de tipo inserción del mundo adecuado para imanes superconductores secos. Los resultados de la investigación relevante se publicaron en Ultramicroscope, una revista líder en el campo de la microscopía. Después de eso, promovieron el proceso de comercialización estableciendo "Hefei Zhongke Weili Technology Co., Ltd. (www.CASmF.com)". En la actualidad, muchos conjuntos de productos han superado la aceptación del cliente y están funcionando bien.
La investigación y exploración científica del equipo Lu Light Uranium nunca se ha detenido. En 2017, Lu Qingyu comenzó a desempeñarse como científico jefe del proyecto nacional clave de investigación y desarrollo "Caracterización in situ de propiedades y estructuras de masa de paso alto basadas en fuentes de luz de aceleradores". En este proyecto, combinaron el microscopio de sonda de barrido con la fuente de luz avanzada y el fuerte campo magnético del acelerador de radiación sincrotrón para mejorar la resolución del microscopio óptico desde el nivel de micras hasta el nivel de nanómetros, permitiéndole controlar materiales a bajas temperaturas y entornos de campos magnéticos fuertes y observación de la estructura del dominio magnético. Este tipo de investigación actualmente no tiene precedentes en el mundo y los resultados crearán resultados de investigación científica líderes en el mundo. Hoy, el proyecto avanza a paso firme.
La innovación es la misión de los científicos. Según Lu Qingu, la innovación es un hábito. Todo debe hacerse de forma independiente, no comprado. Utilice esto como su subconsciente de investigación para mejorar continuamente sus métodos y niveles de investigación. A través de la innovación y la exploración continuas, obtendrá resultados de investigación científica más independientes e innovadores.
El equipo de Luqing Uranium siempre ha fabricado instrumentos líderes a nivel internacional. En su opinión, los instrumentos comerciales se producen en masa, lo que dificulta incorporar en ellos ideas creativas de investigación científica y es imposible garantizar la excelencia de cada componente. Sin embargo, cada componente del equipo de desarrollo propio se puede seleccionar cuidadosamente y algunas ideas ingeniosas se pueden realizar con el tiempo.
En el camino de la investigación científica y la innovación durante muchos años, Lu Qingyu ha obtenido más de 30 autorizaciones de patentes de invención nacionales en ciencia, materiales naturales, comunicaciones naturales, materiales avanzados, materiales funcionales avanzados, nanoletras, eLife, etc. Publicar artículos en revistas influyentes.
Sobre la base de destacados logros en investigación científica, Lu Qingyou también fue seleccionado como el Talento Destacado del Nuevo Siglo 2005 del Ministerio de Educación, el Talento Técnico Clave 2010 de la Academia China de Ciencias y el Premio Nanjing 2015. Emprendimiento Científico y Tecnológico Talento Líder. Desde 2018, se ha desempeñado como editor en jefe adjunto de la famosa revista estadounidense de instrumentos científicos "Scientific Instrument Review" y ganó el Premio al Logro Científico y Tecnológico Sobresaliente de la Academia de Ciencias de China en 2017; Premio Provincial de Ciencia y Tecnología de Anhui en 2019 y subvención del Gobierno Provincial de Anhui en 2020. Se trata de un reconocimiento y aliento por sus muchos años de innovación y perseverancia.
Educar a la gente y trabajar duro. Como líder de estudiantes de investigación científica en la nueva era, Lu Qingyou también espera que sus estudiantes puedan continuar profundizando sus campos de investigación impulsados por intereses de investigación científica. Él cree que mientras la nueva generación de estudiantes de investigación científica pueda pulir más sólidamente sus habilidades de investigación científica, brillarán en cualquier campo.
Investigación científica práctica, sin preguntas.
Para futuros planes de desarrollo científico, Luqing Uranium también participará en la investigación y el desarrollo de microscopios de sonda de barrido que funcionen en condiciones extremas. Al mismo tiempo, buscará la cooperación entre la industria, la universidad y la investigación con más universidades y empresas para descubrir algunos más avanzados. principios del instrumento. Al enfrentarse a más posibilidades en el campo de la investigación científica en el futuro, cree firmemente que él y su equipo de investigación lograrán más resultados de investigación científica líderes a nivel mundial en el desarrollo de microscopios de sonda de barrido en diversas condiciones extremas, siguiendo los pasos de los investigadores chinos. En este campo han llegado pasos.
Lu Qingyou es profesor en el Centro Nacional de Investigación de Ciencias Físicas a Microescala de Hefei en la Universidad de Ciencia y Tecnología de China e investigador en el Centro de Alto Campo Magnético de la Academia de Ciencias de China. Se dedica principalmente a la investigación y el desarrollo independientes de microscopios de efecto túnel (STM), microscopios magnéticos (MFM) y microscopios de fuerza atómica (AFM) en diversas condiciones extremadamente duras, que se aplican al campo multidisciplinario de la física de la materia condensada, nanomateriales y biomoléculas. y procesos químicos en soluciones activas.
Llevan muchos años dedicados a la investigación científica y han autorizado más de 30 patentes de invención nacionales. Publique artículos como primer autor o autor correspondiente en revistas de alto impacto como Science, Nature Materials y Nature Communications. En 2017, se convirtió en líder del proyecto del plan nacional clave de RD; desde 2018 hasta la actualidad, ha sido editor en jefe adjunto de la revista de instrumentos científicos de renombre internacional "Scientific Instrument Review" en 2017, ganó el premio Sobresaliente; Premio al Logro Científico y Tecnológico de la Academia de Ciencias de China; en 2019, ganó el premio especial del Premio Provincial de Ciencia y Tecnología de Anhui (la primera sesión).