清华大学物理系教授  陈瓞延

 

    单个原子、分子测控科学与技术在国际上称之为分子纳米科学或量子工程(1纳米=1nm=10^-9m=10亿分之一米，即毫微米)，是20世纪末出现并形成的一个基础研究前沿学科。由于物质、材料的宏观性质与特征是依赖于原子、分子水平的极细微的结构，以及在合成时极短时间内的过程特性。因此，要通过对单个原子、分子和纳米粒子的探测、识别、操纵与控制,研究在0.1nm?D100nm尺度的极细微领域内物质具有的特异现象与功能，以加深对物质的认识，并推动研制新的物质材料和新的功能器件。它是比纳米科学技术更深一层次并与之衔接、融合的基础性新学科。因为，纳米尺寸的物质能表现出特异的现象与功能，而它们的表象机理只能在原子分子的层次中阐明。也就是说，要说明并控制、利用纳米尺度内物质具有的特异现象与功能，就必须在分子、原子甚至电子的层次上阐明它的机制。

 

    国际上称它为廿一世纪的前瞻性科学与技术。因为，21世纪将是在量子物理学基础上建立起来的“原子时代”，新世纪高科技发展浪潮的重要特点之一就是“将发生一场分子革命”；“纳米科技将改变未来,推动科学变革”。预期它的发展将会在新世纪中引起经济社会出现新的飞跃。特别是对于所谓廿一世纪的科学技术?D?D信息科学、新材料科学、分子生物医学和自动化技术的大发展，它们共同的发展特点是结构尺度纳米化和功能智能化，它们都迫切要求对此极细微领域的现象与功能进行实质性的基础研究，并期待单个原子、分子测控科学的（技术、方法和理论）新进展与成果转化；因此，它是跨世纪高新科技发展的基础之一。

 

    此领域的关键技术和新方法以及相关理论的发展极其迅猛。各先进工业化大国竞相开展此领域研究与开发工作，并将之列为跨世纪战略性高科技基础研究项目。这表明此项基础性研究“一旦突破可带动新产业革命”。

 

    我国是一个经济力量有限的发展中国家，要主动地适应并推动这个科技“纳米化”世纪的到来，大力开创和发展这项新的基础研究工作，必须考虑寻找突破口和发展的支撑力量。为此，就要求研究工作即是能促进相关学科的基础研究，又是能应用于信息、分子生物医学、资源与生态等领域中有关的重大应用课题研究，即学科前沿交叉；要与国家目标密切结合，既处于科技发展的前沿，又能在国民经济建设的重要领域中有积极的推动影响和贡献；并且是一个高层次培养优秀人才的基地──这是一个国家高科技力量可持续性发展的根本。

 

    基于上述背景，我们开创的第一步──建立一个先进的前沿学科研究基地：在极端困难的条件下，创建了我国在此学科领域的第一个研究基地─《单原子分子测控教育部重点实验室》。经过16年的艰苦工作历程，发展了与原子、分子、直至纳米尺度微观客体测控相关的实验方法和理论体系，促进了相关学科的基础研究；其成果已经或正在应用于资源与生态环境、信息、分子生物医学工程等领域中有关的重大应用基础性研究。将实验室建设成为一个面向国家目标开展基础性研究和培养人才的基地。

 

    在如何将这项战略性的应用基础性研究工作结合我国的国情求得发展与支撑的问题上，实验室大胆地（当时甚至被认为是“奇想”首先提出了将极微观化的激光单原子、分子探测（LSAMD）高科技与宏观化的生态系统（资源与环境）可持续性发展科学相结合，面向国家经济建设中重大需求课题的学术设想和方案，并且在经历了艰难的论证工作历程之后，终于在实践中取得成功，打开了LSAMD应用的突破口。自1985年迄今，实验室负责并主持了国家“七五”和“八五”重点科技攻关项及国家“九五”海洋领域“863”计划项目；攀登计划（A）课题；国家自然科学基金委主任基金项目和国家教育部重点项目等约40余个项目、课题；并承担了211工程项目和“985”工程重点项目（清华大学建设一流学科项目）。以现代化的技术手段从事前沿的应用和基础性研究工作，为跨世纪的发展准备了重要的基础。

 

    在学科建设中（包括理论体系、实验方法和相关的技术），我们取得了一些突破性的进展，并取得若干国际先进和领先水平的成果：

 

 

    在基础研究方面，我们主要对原子分子结构与动力学研究做出了贡献。

 

    研究了解目标原子、分子的结构，以便能更好地测控它们，这就直接涉及原子、分子高激发态结构研究，旨在揭示在”“场”的作用下高激发态结构及其反应的动力学过程，阐明它的物理（与化学）本质，这是实现在“单个”原子、分子层次上探测、识别、控制的物理（化学）基础，是当今国际上原子、分子物理的前沿。

 

 

    在当前国际上十分活跃的高难度研究领域─基于激光激发的复杂原子双电子高激发态研究取得了重要的成果。在国际上

 

·首次获得了第二电离阈附近纯的稀土原子双里德堡态谱；

 

    ·首次给出了原子双里德堡态相对激发截面的定量结果。提示了轨道杂化在原子双里德堡态中的重要性和普遍性，充分展示了电子关联效应动态演化过程；

 

    ·研究了碱土金属原子双里德堡态的自电离过程，在国际上首次提示了原子双里德堡态的自电离规律。采用了新的理论研究方法，结果与实验结果完全符合。这是目前国际上关于复杂原子双里德堡态动力学过程方面最新的研究成果；

 

    ·在实验方法上还首创用一台准分子激光泵浦五台染料激光研究复杂原子双里德堡态的先例；并发展了具有特色的多光子电离能谱实验方法，克服了国外实验方法中所存在的重大难题，正是由于研究方法上的创新，在原子高激发态研究中处于国际领先地位。

 

    这项研究促进了解长程库仑相互作用三体量子体系；了解三价重金属原子的三重激发态及其退激的动力学过程，并由实验结果发展相应的半经典计算方法，加深了对三重激发态自电离物理机制的认识。对于原子物理的发展具有很重要的理论的和实验研究的意义，研究工作纳入了国家“攀登计划”项目。

 

 

    ·首次发现和研究了双电子激发态和里德堡态的重要区别，改善了分子电子态光谱研究方法并推动量化计算的发展；分析研究了三重态的超精细结构以及激发态分子的动力学行为，发现并阐明了超精细结构来源于成键的σ电子。J.Chem. Phys审稿人评价为：“这是一个重大贡献”；

 

    ·把分子的里德堡态划分为核实贯穿型和核实非贯穿型，并证明这两类电子态具有极不相同的特性；新观察到很多高电子激发态。根据我们的理论，正确地对观察到的电子态进行了归属，并从实验上验证了他们分类的意义。

 

    ·首次实验观察到分子的里德堡态的三类典型的预解离过程，并进行了定量分析。在理论上，建立了一个统一处理里德堡态自电离和预解离过程的方法。研究了三类典型的颈解离过程，得到了和实验相符的结果。

 

    ·首次观测到电磁场诱导的光透明现象，并证明这一现象的产生是由于分子能级权居分布的相干控制引起的。

 

    此项研究工作已纳入国家重大基础研究规划“973”项目中。

 

 

    ·研究了分子的高激发振动态所具有的量子的性质及其对分子的混沌运动的影响；证明了简正或局域的概念在统计意义上的有效性；

 

    ·运用陪集表示获取势能面方法研究了高激发振动态的多维动力学行为性，重点探讨了费米共振与模间耦合的特点与动力学行为；

 

    ·提出了从拓朴大范围的角度来看待分子高激发振动态的多维动力学行为，指出了高激发振动态能量传输的时间演化具有分形的特性。

 

 

    自行研制成功我国第一代六套五种类型的超灵敏高分辨仪；探测灵敏度达到国际领先或先进水平，为实现在“单个”原子分子层次上的超灵敏探测研究目标，提供了先进的物质基础。

 

    在资源和环境科学领域的应用基础性研取得重要的突破。八十年代初期，我们首先大胆地提出了一个全新的科学设想，亦即将激光单原子探测超灵敏的观测手段观测地表氛围（如，土壤隙中气、地表大气环境）或水系（地表水与地下水）中贵金属极微含量异常分布的方法，应用于地下深部的贵金属（黄金、铂等）矿藏的勘查的设想与方案，以大幅度地提高黄金等稀贵金属矿藏的普查效率和经济效益（大量减少地下深层钻探工程量）。这被认为是地学和找矿学方法论突破性的设想。由于他国在国际上首次将土壤中气态的npt（ l0^－12，即万亿分之一）量级的极微量金及矿体颗粒金的纵向形态分布测量出来，为实现此科学设想奠定了技术基础。经过与地学界的共研和不断地深入论证性工作，肯定了这种设想和方案的科学性与可行性，以及对地学（找矿学和成矿学）的重要意义。在地矿部和国家科委的支持下，纳入国家“七五”“八五”科技攻关计划和国家黄金专项。   成果被国家验收组认为：“在总体上达到国际先进水平”；“为地球化学探矿方法研究开创了新途径，在研究思路和具体方法上达到国际先进水平”。

 

    地球环境科学方面，在国际上首次将南极大陆冰盖层中重金属元素铅（人类社会活动造成环境污染的重要标记）极微含量精确测定出来了。为建立南极大气模型提供了依据。并了解了近代人类社会活动污染环境历史的变迁；他们还测出铂族原素Ru/Ir相关性值。为6500万年前导致恐龙灭绝的小行星撞击地球的重大天体事件提供了重要证据。

 

    在海域大陆架，他们将此已得到验证的技术设想进一步延伸，从陆地应用（地表环境；深部贵金属矿藏）发展到浅海大陆架应用（沉积物来源），再发展到海底深部应用（勘查油气藏）。

 

    成功地完成了国家科技攻关项目《激光单原子探测技术在大陆架海槽沉积特征及物质来源研究中的应用》任务。此项目具有重要的科学、社会经济价值和涉及捍卫国家主权的重要意义。国家验收组认为“本专题取得了一些突破，达到国际领先水平”。

 

     再发展到海底深部：在上述工作成果的基础上，首次提出（在国际上亦属此）将“单原子、单分子探测高技术应用于海洋油气资源勘查”的新设想和方案，并负责主持国家“九五”海洋领域“863”计划项目《激光单原子、单分子探测高技术应用于海洋油气资源勘查》。这是极细微尺度研究领域高科技首次进入跨世纪的海洋能源开发科技领域。这也是极富挑战性的前沿探索课题。项目实施的初步结果证明，这个大胆的科学设想是成功的。科学家认为“这将推动探索解决新世纪石油储备的问题”，具有重要的战略意义。

 

    开辟在生物医学领域中的应用基础研究是实验室重要研究方向之一。

 

    国际上学术界认为，2l世纪物理学在生命科学领域将引起另一场革命。“分子纳米技术将给医学带来变革”。因此，必须将物理科学与生物学紧密地结合起来。近五年来，这个实验室积极地将单分子探测与识别的新技术新方法结合到生命科学领域中?D特别是生物学和医学的应用研究。

 

    这个实验室强化了对生物大分子的测控研究，将原子分子测控科学中发展出来的新技术新方法（如：光学相干CT技术、分子雷达技术、单分子探测及单分子光谱技术等），应用于活细胞内的原位、实时动态生物学过程，活细胞膜内外生物分子间的相互作用，细胞间液中生理活性物质的动态变化，以及相应的在组织层次的表象和性能研究。

 

    ●研制成功我国第一台光学相干CT

    它是九十年代中期出现的基于新型原理的层析概念，它能进行微米级高分辨的精细活体层析成像。OCT使人们第一次既能对活体表层进行层析，又有能力深入到人或动物的血管以及其它器官内部，以视频速度和接近光学衍射极限的分辨率进行三维成像。在疾病的早期诊断，以及药物疗效和手术效果实时监测等领域已经显示出广阔的应用前景。其功能特点被认为是CT技术的一次“革命性”的发展。这个实验室已在国内此领域的竞争中占据了领先地位。于1997年底成功研制出了第一个OCT原型机。并获得了我国第一张生物微组织断层层析的OCT图像（10 微米级高分辨率，比现今X光CT高近千倍），其后又作出一系列的表层层析图像，并在国防和工农业等许多领域取得了重要应用。尤其是，进一步研究了OCT的图像重构，使得OCT的图像分辨率提高了一个多量级，达到亚微米，可以更有效地和生物细胞内成像结合，形成又一崭新的“介入”诊断手段。

 

    ●研制成功我国第一个分子雷达（MD），并取得了一些好的应用研究成果。分子雷达就是能够在分子层次对活细胞内生物过程进行原位、实时观测的一种高新技术手段，它的主要特点是能够获得活细胞内生物过程的空间和时间分辨信息，并能够对同一生物体系中的同一生物过程同时进行多参数复合测量。

这个实验室于1999年研制成功我国第一个基于新型原理的分子雷达原型机；实现了活细胞内部生物成分动态成像和活组织三维、四维的深层成像，并在模拟生物体系上实现了荧光关联谱测量。工作进展迅速，已经在交叉领域获得了好的成果。如，他们在国际上首次成功的将纳米粒子转染的天花粉蛋白进入细胞核内；首次从实验上观测到胚胎内活细胞八分裂阶段紧密化前后的旋转现象的全息三维图像；…。得到国际学术界的肯定和积极评价，认为是“第一次成功的将半导体量子点转染进入细胞内；这将积极地推动治疗HIV（爱滋病）和癌症药物的发展”。

 

    ●我们首先提出了将分子雷达（MR）与光学相干CT相结合成为一体的MR－OCT系统概念，研制成功第一个MR－OCT一体机。将两个机理和功能概念不同的东西有机地结合为一个新的功能系统，实现了将两个不同层次的生物学信息衔接起来，从而促进了将微观（机理性）层次的与宏观（功能性）层次的生物学信息链衔接起来，这对于生命科学（和医学）研究具有重要意义。

 

    ●单分子探测技术研究：实现了探测灵敏区内荧光染料分子的探测灵敏度达到单分子量级。用飞秒激光对CdSe纳米粒子进行双光子激发荧光探测，观测到标记在蛋白质分子上单个CdSe纳米粒子的图象。为单分子探测方法进入生物医学领域打下了重要的基础。

 

    自实验室成立以来，经过全体实验室成员的不懈努力，也获得了许多荣誉。先后获得国家教委科学技术进步奖（甲类）一等奖（1995年），二等奖两项（1991年，1998年）；国家计委、科委和财政部联合颁发的《国家“七五”，科技攻关重大成果奖》  （1991年）；《国家“八五”科技攻关重大成果奖》（1996年）；新疆人民政府特别表彰奖（1988年）；美国《C＆EN》《中国十大科学新闻第二项》（l992年）；欧共体联合研究中心第5届国际《RIS＆ItsApplication》学术会议最优研究论文第三名奖（1990年）；《China  Dailv》《1991年度中国十大科学新闻》。

 

    1991年，以王大珩院士为主任的国家鉴定验收委员会认为：坚持自力更生、艰苦奋斗的精神，在比较短的时间内。建成我国第一个具有八十年代未国国际先进水平的、具有新型研究装置的激光单原子探测研究实验室。在有关的基础研究方获得了达到国际先进水平的研究成果。以上成果的取得是我国科技界的一件可喜的事。1995年，国家教育部专家评审组（组长冯端院士）评价：“取得了具有国际领先水平和对国民经济有重大意义的研究成果。上述成果对推动原子物理、化学、生物、地质等其他学科具有重要意义，并为国内外同行学术界所承认和高度评价。”