讓離子為人類發(fā)展服務(wù)
——記蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張紅強(qiáng)教授

本刊記者 張春壯

張紅強(qiáng)(右二）和團(tuán)隊(duì)成員在實(shí)驗(yàn)樓前合影留念

大千世界，充斥著無數(shù)肉眼看不到、雙手摸不著的神秘元素，它們無時(shí)無刻不影響和改善著我們每個(gè)人的生活。對(duì)納米結(jié)構(gòu)的研究正是基于為人類提供一個(gè)可以深入地揭示這些微觀元素本質(zhì)的方法而開展的。近年來，以納米微孔膜為代表的納米微結(jié)構(gòu)在工業(yè)、微生物、醫(yī)藥、物理等多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域，離子與微納米材料的相互作用，是離子束物理的前沿課題之一。

“離子束斑在穿越不同形狀截面的微孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相異的幾何形狀”，蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院張紅強(qiáng)教授發(fā)現(xiàn)，在離子穿越菱形微孔之后，束斑被規(guī)整為矩形，反之，矩形的微孔使得穿越的離子束規(guī)整為菱形。

這一發(fā)現(xiàn)為納米微結(jié)構(gòu)作為荷電離子無場(chǎng)可控操作元件提供了另外一個(gè)功能，那就是利用離子穿越微孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向效應(yīng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦、偏轉(zhuǎn)離子之外，還可以對(duì)離子束進(jìn)行幾何成型。這個(gè)新方向的為高電荷態(tài)離子束無場(chǎng)光學(xué)元件的傳輸提供了新的視角，張紅強(qiáng)及其團(tuán)隊(duì)進(jìn)而得到國(guó)家科學(xué)自然基金項(xiàng)目“納米微結(jié)構(gòu)作為荷電粒子束傳輸原件的研究”的支持。

積淀 結(jié)緣離子十余年

2002年，張紅強(qiáng)于蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科畢業(yè)，緊接著又在母校核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院開始了碩博連讀生涯，“開始真正與離子打起了交道”。

4年時(shí)間內(nèi)，張紅強(qiáng)跟隨導(dǎo)師參與了大量的實(shí)驗(yàn)研究，在離子與表面互作用方面積累了廣泛的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，尤其是高電荷態(tài)離子與表面相互作用的離子中和過程、鏡像電荷加速、離子在表面的散射過程、離子中和過程中的x射線的發(fā)射、固體原子的電離激發(fā)導(dǎo)致的內(nèi)殼層x射線的發(fā)射課題上，建立了完善的知識(shí)體系，為其今后離子束相關(guān)層面的研究奠定了堅(jiān)實(shí)根基。

站在學(xué)科國(guó)際前沿，方可讓自己具備獨(dú)到的學(xué)術(shù)眼光。在蘭大歷經(jīng)8年學(xué)習(xí)研究后，張紅強(qiáng)于2006年踏上了瑞典留學(xué)的征途。在斯德哥爾摩大學(xué)物理系原子物理部博士畢業(yè)后，他又做了一段時(shí)間的項(xiàng)目研究助理。在此期間，張紅強(qiáng)跟隨導(dǎo)師主要從事“高電荷態(tài)離子與絕緣體微孔膜相互作用”的研究課題，參與負(fù)責(zé)高電荷態(tài)離子與SiO2,Al2O3, PET,云母微孔膜的相互作用以及離子穿越玻璃毛細(xì)管的出射離子的角分布和能量分布的測(cè)量項(xiàng)目。在科研的舞臺(tái)上逐漸拉開了“離子與納米微結(jié)構(gòu)的相互作用研究”的序幕。

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建工作中，他主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)了用于測(cè)量離子單電荷攜帶能量的127度靜電分析器及其獲取系統(tǒng)，搭建了基于兩種類型-延遲線和電阻膜陽(yáng)極的二維探測(cè)器系統(tǒng)。通過參與玻璃毛細(xì)管制作過程在離子與云母表面碰撞導(dǎo)致的納米結(jié)構(gòu)形成，以及重離子轟擊云母后的蝕刻實(shí)驗(yàn)以制備云母微孔膜上，他建立了一套完整的實(shí)驗(yàn)流程。

2008年，通過大量實(shí)驗(yàn)反復(fù)推演驗(yàn)證，他發(fā)展了一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)的模型勢(shì)的理論（PHYSICAL REVIEW A 82, 052901(2010)），成功解釋了時(shí)間演化的出射離子角分布所對(duì)應(yīng)的電荷沉積，為離子與微孔膜的相互作用中實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的出射離子角分布的時(shí)間演化過程給予了量化的解釋。與此同時(shí)，他在高電荷態(tài)離子與納米微孔膜相互作用研究這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)也開始得到同行的認(rèn)可。迄今為止，在對(duì)于時(shí)間演化的出射離子角分布研究方面，這個(gè)模型理論仍作為目前僅有的幾個(gè)理論結(jié)果之一而備受關(guān)注。

張紅強(qiáng)與團(tuán)隊(duì)成員在一起

多年來，東西方文化在他身上相遇，已經(jīng)不再是形式的混體，而是精神層面的融合。張紅強(qiáng)的科研理念里，具備了中國(guó)智慧的通達(dá)，也兼容了西方思想的嚴(yán)密邏輯。由此，他對(duì)科研工作有了更深層次的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)科學(xué)研究也更加熱愛。

葉落歸根，同樣，張紅強(qiáng)作為一個(gè)傳統(tǒng)教育觀念下的中國(guó)人，在外數(shù)年雖載譽(yù)滿身，可終究抵不過內(nèi)心深處對(duì)桑梓地的無限眷戀。2011年，他結(jié)束瑞典期間的學(xué)習(xí)工作后，毅然回歸蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院——這個(gè)他科研之路開始的地方。

回歸蘭大后，張紅強(qiáng)保持固有的科研理念——即實(shí)驗(yàn)又要?jiǎng)?chuàng)新，帶領(lǐng)學(xué)生踏上了科研創(chuàng)新的征途。

創(chuàng)新 觀測(cè)納米微孔與離子束斑成型效應(yīng)

近年來，高電荷態(tài)離子與絕緣體微孔膜之間相互作用時(shí)出現(xiàn)的導(dǎo)向效應(yīng)，讓人們得以觀測(cè)到在大于微孔的縱橫比所決定的角度下高電荷態(tài)離子仍然可以穿越這一現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)出射離子角分布的中心在納米微孔的軸向所對(duì)應(yīng)的方向附近，絕大多數(shù)穿越的離子仍然可以保持其初始的電荷態(tài)和動(dòng)能。此外，以單分子層的碳化合物膜為代表的納米微結(jié)構(gòu)材料的發(fā)現(xiàn)，也使離子與固體相互作用領(lǐng)域走向一個(gè)新的發(fā)展方向。

“離子與納米微結(jié)構(gòu)間相互作用的時(shí)間很短，在入射離子能量為keV范圍的時(shí)候，相互作用時(shí)間僅為1-4fs,離子穿越這種材料后其電荷態(tài)還處于不平衡狀態(tài)”，張紅強(qiáng)認(rèn)為，“這能夠?yàn)榭蒲腥藛T提供一個(gè)入射離子依賴于初始電荷態(tài)的預(yù)前平衡態(tài)能量損失的觀測(cè)平臺(tái)”。

隨著大量新型納米微結(jié)構(gòu)材料迅速涌現(xiàn)，粒子與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域迎來新的發(fā)展契機(jī)。通過荷電粒子與納米微孔的相互作用中的導(dǎo)向效應(yīng)，可以對(duì)出射離子角分布的時(shí)間演化來測(cè)量沉積電荷，張紅強(qiáng)認(rèn)為，“相比于傳統(tǒng)的荷電粒子束需要外接電場(chǎng)或者磁場(chǎng)來控制，使用絕緣體微孔，人們可以在無外接場(chǎng)的情況下操控束流”。因此，微結(jié)構(gòu)材料成為了傳輸荷電粒子束流的光學(xué)元件。

目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室中在采用單個(gè)入口為亞毫米量級(jí)而出口為微米到幾百個(gè)納米的玻璃毛細(xì)管作為離子束操控的工具，來進(jìn)行高電荷態(tài)離子、分子和離子等通過納米微結(jié)構(gòu)的離子束流傳輸實(shí)驗(yàn)時(shí)，多采用圓形的微孔截面，呈現(xiàn)出的出射離子的角分布幾何形狀僅與微孔的傾角和張角有關(guān)。為探尋出射離子角分布的其它形狀，借助蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院粒子束物理實(shí)驗(yàn)室新搭建的粒子與表面相互作用平臺(tái)，張紅強(qiáng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)正在制備并采用新的微結(jié)構(gòu)材料作為離子束的研究對(duì)象。

過去實(shí)驗(yàn)過程中，張紅強(qiáng)等人發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：當(dāng)離子穿越菱形微孔之后，束斑被規(guī)整為矩形。反之，當(dāng)離子束穿越矩形微孔時(shí)被規(guī)整為菱形。他在高電荷態(tài)Ne7+離子與尺寸為幾百納米的菱形和矩形微孔的相互作用的研究中，解釋了這種幾何成型效應(yīng)。即由于離子穿越微孔時(shí)在其內(nèi)部會(huì)誘發(fā)鏡像電荷，從而產(chǎn)生一個(gè)指向內(nèi)壁的鏡像力，這個(gè)力加在離子束的橫向，從而使其產(chǎn)生散焦作用。離子束在傳輸過程中，由于微孔的幾何構(gòu)造，大于特定角度的離子將被微孔內(nèi)壁阻止而不能穿越，從而使得穿越的角分布呈現(xiàn)規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)這項(xiàng)研究得到的結(jié)論來看，納米微孔結(jié)構(gòu)不僅可以用以實(shí)現(xiàn)離子聚焦、偏轉(zhuǎn)，還可以根據(jù)微孔形狀進(jìn)行幾何成型。

后續(xù)的實(shí)驗(yàn)取得了可喜的階段性成果，基于已經(jīng)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他仍在思考“如何尋找合適的微結(jié)構(gòu)來操控離子束”。在接下來的實(shí)驗(yàn)研究中，他會(huì)繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用高電荷態(tài)離子，通過二維位置靈敏探測(cè)系統(tǒng)來研究其通過特殊制備的微結(jié)構(gòu)的出射離子的角分布和電荷態(tài)分布，以探索更合適的離子束成型的傳輸元件。同時(shí)，在高電荷態(tài)離子穿越矩形截面微孔云母膜后出射離子的能量分布的測(cè)量方面，他們將采用127度靜電分析器來準(zhǔn)確探測(cè)離子在表面的鏡像電荷加速機(jī)制以及離子束角發(fā)散和能量發(fā)散對(duì)其穿過微孔膜之后形成幾何形狀的相互關(guān)系。

在納米材料使用日益廣泛的今天，荷電粒子束與納米微孔膜、單納米微孔、玻璃毛細(xì)管以及單原子層固體材料等納米微結(jié)構(gòu)間的物理作用機(jī)制，為當(dāng)今各種納米材料的研制及納米技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用帶來的新的研究視角，也為促進(jìn)醫(yī)藥行業(yè)、金屬產(chǎn)品制造、蓄電池產(chǎn)業(yè)等的快速發(fā)展起到推動(dòng)作用。這也實(shí)現(xiàn)了張紅強(qiáng)一直以來的理想，讓環(huán)繞在人類周圍的離子“真正為人類持續(xù)健康發(fā)展服務(wù)”。