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在第三屆“逐夢(mèng)光電”國(guó)產(chǎn)分析儀器研制與應(yīng)用研討會(huì)上,來自中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所萬雄老師關(guān)于《火星表面物質(zhì)光譜探測(cè)技術(shù)》的報(bào)告受到了大家的關(guān)注。火星離我們很遠(yuǎn),但又似乎并不遙遠(yuǎn),人類積極探索火星的腳步從未停止。2021年5月22日中國(guó)首輛火星車 “祝融號(hào)”,登陸火星并開始巡視探測(cè)。作為參加過“火星探測(cè)”、“嫦娥3號(hào)”等國(guó)家重大科研項(xiàng)目的資深專家,萬老師在會(huì)后接受了卓立漢光《視點(diǎn)前沿》欄目組,北京卓立漢光儀器有限公司副總經(jīng)理董磊的專訪,為大家深度解讀火星上的光譜探測(cè)技術(shù)。
萬雄研究員采訪現(xiàn)場(chǎng)照片
Q1:請(qǐng)您介紹一下您的課題組和主要研究方向?
感謝卓立漢光的邀請(qǐng),我從事光譜技術(shù)為主,在技物所已經(jīng)工作十幾年,組里研究方向主要有兩個(gè):深空激光光譜學(xué),利用激光光譜手段對(duì)行星表面的物質(zhì)成分進(jìn)行探測(cè),利用物質(zhì)的信息去理解行星的地質(zhì)演化過程,探究是否有宜居性和生命信號(hào),并與地球的地質(zhì)演化相互對(duì)比,開展比較行星學(xué)方面的工作,涉及到的激光光譜手段LIBS(激光誘導(dǎo)擊穿光譜),激光誘導(dǎo)拉曼、激光誘導(dǎo)熒光、被動(dòng)的紅外光譜等。第二個(gè)方向是利用原子分子光譜技術(shù)服務(wù)于國(guó)家重大研發(fā)項(xiàng)目,課題組參與較多的是對(duì)于生物安全領(lǐng)域面向國(guó)家的需求,如出入境中可能涉及國(guó)家重要生物資源的流失,需要開發(fā)專業(yè)的光譜檢測(cè)儀器,對(duì)重要生物資源進(jìn)行光譜技術(shù)的建庫(kù),這就要用到剛才提及的原子光譜和分子光譜技術(shù),并與多光譜成像和超光譜成像結(jié)合,采取譜像結(jié)合的方法進(jìn)行探測(cè)。儀器是我們的主業(yè),民口稱為儀器,深空稱為載荷,都是我們的研究方向。
Q2:能登上火星進(jìn)行探測(cè)的儀器都很不簡(jiǎn)單,請(qǐng)您介紹下目前火星上常用的光譜探測(cè)技術(shù),比如“祝融號(hào)”火星車上搭載的火星表面成分探測(cè)儀具體是怎么進(jìn)行工作的?
“祝融號(hào)”火星車上搭載了MarSCoDe的火星分析儀,使用LIBS對(duì)目標(biāo)元素構(gòu)成進(jìn)行探測(cè)?;驹硎歉吣芗す饷}沖聚焦在目標(biāo)表面上,由于聚焦點(diǎn)的能量密度比較大,瞬間的高溫剝蝕產(chǎn)生高溫蒸汽,蒸汽處于等離子狀態(tài),當(dāng)高溫等離子體冷卻的時(shí)候,高能級(jí)的電子就會(huì)躍遷回到低能級(jí),發(fā)射原子譜線,hV=E1-E0,E1是高能級(jí)的能量,E0是低能級(jí)的能量,h是普朗克常數(shù),v是發(fā)射頻率。不同頻率對(duì)應(yīng)不同原子能極差,通過測(cè)定發(fā)射波長(zhǎng)可以判定原子構(gòu)成,然后再根據(jù)譜線的強(qiáng)度得到元素的含量。
Q3:針對(duì)于遠(yuǎn)程Raman和LIBS,是否有工業(yè)應(yīng)用的前景?您是否有計(jì)劃和研究界以及工業(yè)界針對(duì)于遠(yuǎn)程探測(cè)有開展合作的打算與規(guī)劃呢?
我們做科研不能閉門造車,需要和不同領(lǐng)域?qū)<疫M(jìn)行交流。比如石油領(lǐng)域,石油在反應(yīng)釜中不同溫度會(huì)有不同的化學(xué)反應(yīng),而反應(yīng)釜處于高溫狀態(tài),接觸性測(cè)量是不現(xiàn)實(shí)的。這時(shí)候非接觸式的遠(yuǎn)程測(cè)量,激光測(cè)量就可以滿足這種要求。我們這種技術(shù)可以對(duì)行星、火星這種未知星球進(jìn)行探測(cè)。同樣在實(shí)驗(yàn)室中也可以應(yīng)用遠(yuǎn)程技術(shù)進(jìn)行原位實(shí)時(shí)檢測(cè),光學(xué)技術(shù)可以和不同領(lǐng)域不同專業(yè)研究人員需求結(jié)合,尋找合適的切入點(diǎn)。我們也在跟卓立漢光公司進(jìn)行討論,看能否在其他行業(yè)得到應(yīng)用和推廣,如果可以的話,那我們也是很開心的。
Q4:根據(jù)目前的研究數(shù)據(jù),火星宜居嗎?
我們國(guó)家科研管理部門去年有一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng):研究火星的宜居性。因?yàn)楝F(xiàn)有人類能力有限,還不能脫離太陽系,而在太陽系內(nèi),目前火星是最接近地球的類地行星。我們也很榮幸作為合作單位拿到這個(gè)項(xiàng)目,利用許多國(guó)家發(fā)射的環(huán)繞火星作遙感探測(cè)的載荷,以及火星車上原位探測(cè)的載荷,收集起來的所有有關(guān)火星的數(shù)據(jù)并分析,就可以對(duì)火星的宜居性進(jìn)行判斷。比如35-40億年前,被海洋覆蓋,還有大氣,是宜居的,但是隨著時(shí)間演化宜居性逐漸降低,地球可能是走的反方向,一開始不宜居,后來宜居性越來越強(qiáng)。通過探測(cè)并把歷史和現(xiàn)今進(jìn)行對(duì)比,找到一些證據(jù)和規(guī)律,為未來地球的演化提供相應(yīng)的參考信息。目前我們也在做宜居性和生命信號(hào)的探測(cè),包括美國(guó)NASA“毅力號(hào)”火星車,落在一個(gè)隕石坑,據(jù)說就是古海洋的遺跡,還有三角洲,三角洲雖然已經(jīng)干涸,但是不排除在地下深處會(huì)有古生物的殘骸。
中國(guó)也想開展類似研究,因此立項(xiàng)此項(xiàng)目,雖然我們“祝融號(hào)”目前技術(shù)限制還完不成這樣的任務(wù),但是結(jié)合“毅力號(hào)”,結(jié)合不同國(guó)家不同環(huán)繞器和遙感器的信息,我們有可能在不久的將來,就能破解所謂的謎團(tuán)。日本“隼鳥二號(hào)”探測(cè)器從小行星“龍宮“采集的樣本,經(jīng)過化驗(yàn)有超過20種氨基酸,氨基酸是生命重要組成,再一次引發(fā)了人們對(duì)尋找地球以外生命的熱切向往。很多東西雖然目前沒有研究結(jié)果,但是在將來技術(shù)進(jìn)步后,人類會(huì)有更大的發(fā)現(xiàn)。
Q5:請(qǐng)您分享一下與卓立漢光的淵源和對(duì)國(guó)產(chǎn)儀器的期待。
我從2012年百人計(jì)劃進(jìn)入中科院系統(tǒng),就瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿生物探測(cè)技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室有很多購(gòu)自卓立漢光的設(shè)備,至今還在正常工作。我們和卓立漢光的共同點(diǎn)是:卓立漢光是國(guó)產(chǎn)儀器先鋒,我們也在做國(guó)產(chǎn)儀器,只是面向的對(duì)象不一樣,卓立漢光面向廣大的市場(chǎng)需求,我們面對(duì)的是國(guó)家特殊的需求。而我們采用的技術(shù)手段是共通的。我們也希望能通過與卓立漢光的合作,把實(shí)驗(yàn)室的儀器技術(shù)推廣到市場(chǎng)中轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品,同為儀器人,讓我們共同努力。
萬雄研究員與董磊副總經(jīng)理合影
結(jié)束語
在我們的采訪中,每當(dāng)提及專業(yè)技術(shù),萬老師總是神采奕奕,侃侃而談。聽他深入淺出為我們講述一個(gè)個(gè)關(guān)于火星的故事,感受人類為探索未知宇宙的所做的不懈努力。正是這份執(zhí)著和熱愛,讓萬老師在科研領(lǐng)域取得了重大成績(jī)。作為中科院“百人計(jì)劃”擇優(yōu)資助入選者、國(guó)家二級(jí)研究員(教授)、博士生導(dǎo)師、Georgia Tech高級(jí)研究學(xué)者、國(guó)際空間科學(xué)研究所(ISSI)核心專家、省級(jí)百千萬第一二層次人才、省級(jí)學(xué)科帶頭人,萬老師已申請(qǐng)專利159項(xiàng)(已授權(quán)發(fā)明專利95項(xiàng),實(shí)用新型授權(quán)38項(xiàng),實(shí)現(xiàn)發(fā)明專利轉(zhuǎn)讓11項(xiàng)).發(fā)表論文140篇(SCI收錄57篇). 近年來在激光光譜、生物光子學(xué)、仿生光學(xué)等研究領(lǐng)域開展了深入的研究工作, 從事相關(guān)研究所取得的學(xué)術(shù)成績(jī)包括參加國(guó)家重大科研項(xiàng)目“火星探測(cè)”“嫦娥3號(hào)”,主持完成及在研國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目10項(xiàng)、參與完成國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目1項(xiàng)(排名第2)、主持完成及在研省級(jí)科研項(xiàng)目9項(xiàng)。獲省部級(jí)以上科研獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)、教學(xué)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。
祝愿萬老師以后的科研事業(yè)更上一層樓,為我們解鎖更多星辰大海中的奧秘,最后借用萬老師在采訪中說過的一句話,“同為儀器人,讓我們共同努力”,共勉。
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