南理工研製的全球首臺非幹涉多模態定量相位顯微鏡。
今年是南京創新名城建設的第四個年頭。1月4日召開的2021年創新名城建設推進大會，發布了創新名城建設十項重大創新成果。信息通訊、網絡安全、智能製造、生態監測……這些成果為把南京建設成為具有全球影響力創新名城提供了關鍵和強有力的支撐。昨天和前天，記者對其中的部分成果進行了詳細探訪。
顛覆性技術製備新材料
為原子製造提供支撐
將不同物質分解成原子再聚合成團簇，就能形成新的物質和材料。南京大學王廣厚院士團隊的成果「原子團簇宏觀量製造裝置」此次入選。該裝置可製備上萬種新材料，建設團簇新物質資料庫，可為團簇走向原子製造、建設原子製造科學裝置提供關鍵技術支撐。
「原子團簇，一般由幾個至上千個原子構成。」 王廣厚介紹，現有的材料，比如鋁要在接近零攝氏度的時候才能夠有超導性質，而根據新技術，有跡象表明形成66個鋁原子的團簇，可以在較高的溫度下，甚至接近100攝氏度時都可以具有超導電性，可以實現電子配對。
王廣厚說，上世紀七十年代的時候，國外就有人對此進行基礎研究，他在頭腦中也萌生了研究該技術的想法。從上世紀八十年代開始，他率先在國內開展原子團簇物理研究。經過長期科研攻關，自行設計和研製多臺團簇實驗裝置，近兩年設計出的新型團簇裝置由原子簇生成、離子光學、質量選擇、材料沉積製造4個部分構成，目前放置於南京浦口區原子團簇與器件製造研究院，被用於新材料合成製備。
「原子團簇宏觀量就是指原子數量要足夠大。大多數情況下，利用傳統的技術產生的團簇量很少，要得到足夠量需要一年甚至更長的時間。目前該裝置可以實現每小時合成1微克的材料，這一指標已經遠遠超過國外，是國際上報導的100倍之多，比傳統的方法提升了3-4個量級，是一種顛覆性的技術。」王廣厚介紹，裝置已製造出Au20、Au561、Ag55、Ag147、Ag309等新物質，其中Au20是包含20金原子的分子，預計可用於催化。該裝置不僅可以製備新材料，還可以製造各種類型的傳感器，運用新技術製作的各類傳感器即將上市，比如壓力傳感器可以用在人工智慧領域。
研發「金領」機器人，加工航空航天急需構件
如何有力保障我國航空太空飛行器的快速研製和批產，加工出我國航空航天急需的大型複雜裝配構件？南京航空航天大學機電學院田威教授團隊自主研製了高精度大負載機器人與智能加工裝備，生產的系列化多功能末端執行器和五大類機器人智能鑽、鉚、銑加工裝備，有效解決了這一難題，並且打破了國外技術壟斷。
田威介紹，該裝備主要是解決最有難度和最有技術引領的航空航天領域高端裝備智能製造問題，包括像大飛機、四代機和運載火箭等國家重點型號的研製。
「該裝備的優勢在於機器人的高精度和裝備的智能化。傳統機器人通過示教開展重複性的作業工作，類似藍領工人。該裝備在加工過程中可以根據產品的個性化需求自主決策開展工作，它不僅要有很高的自動化程度，還要具有很高的智能化能力，類似金領工人，具備了決策方面的能力。」
據介紹，國外空客和波音等公司也用到了高精度機器人的智能裝備，但這些高精度機器人對我國是禁售的。「目前我國機器人產業水平還不高，通過這個技術可以提升國產機器人的精度，提升我國智能製造的產業水平。」田威說，這些裝備還有效地保障了新一代航空太空飛行器的製造質量。目前，他們和南京埃斯頓股份集團公司進行了深度合作，以實現高精度大負載機器人的產業化。
田威說，隨著工業領域智能製造技術的進一步發展，對機器人的精度要求越來越高，負載能力越來越大的背景下，不光是在航空航天領域，在高鐵、汽車和家電等其他領域，該裝備都有很好的應用前景。
觀測細胞無需染色，「超級」顯微鏡打破國外壟斷
南京理工大學陳錢教授團隊的計算光學定量相位顯微成像關鍵理論與技術此次獲獎。記者了解到，通過該理論技術研製成功的全球首臺「非幹涉多模態定量相位顯微鏡」不僅單臺設備集成了多類光學顯微鏡的專業功能，且觀測細胞等透明物體時無需染色，填補了「無標記」動態顯微成像的空白。
傳統顯微鏡又叫光學顯微鏡，是利用光學成像原理，把人眼所不能分辨的微小物體放大成像以供觀察微細結構的光學儀器。傳統顯微鏡是基於強度成像機理，這要求物體本身在光照下是能夠「看得見」的，而在生物醫學、生命科學等領域中的很多樣品，如細胞等都是無色透明的，無法直接在傳統顯微鏡下觀測得到。因此，通常需要對樣品進行染色或者螢光標記再進行觀察，不但操作複雜耗時，而且還會干擾細胞機體的正常代謝活動，無法對活細胞進行長時間連續觀測。
團隊成員左超教授介紹，他們引入「計算成像」的概念，通過照明光場與成像系統調控將觀測樣品的本質信息「調製」到圖像中，再配合後端相應的信息處理方法將所需要的樣品信息「解調」，最終將所需要的圖像從計算機中「算」出來，從而能夠顯現人眼所看不到的信息。
該儀器還實現了大視場高分辨成像，即能在單個圖像數萬個細胞中看清每一個細胞的細節特徵，使顯微鏡實現類似於「谷歌地圖」的效果：既能看得廣，又能看得細，這為細胞高通量篩選、藥物篩查、數字病理等帶來了極大的便捷。
目前，「計算光學定量相位顯微成像」項目已獲得多項專利，相關技術在多家公司得到應用推廣。去年，南理工還在建鄴區成立了「南京理工大學智能計算成像研究院」新型研發機構，正與多家國內顯微鏡龍頭企業密切合作。
「目前，我國的高端光學顯微儀器絕大部分被國外壟斷，這是由於傳統高端顯微鏡所需的精密光學加工、精密機械控制等仍然面臨『卡脖子』問題。」陳錢說，他們的研究不僅突破了這一系列瓶頸問題，核心部件與配套軟硬體均自主可控，為我國傳統光學顯微鏡的更新換代和創立民族品牌奠定了理論和技術基礎，「相信通過不懈的自主創新，中國製造的高科技顯微鏡一定可以在全世界大放異彩。」
南報融媒體記者 談潔
實習生 趙靜