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（中國）儀器設備化道路上的三大障礙_河南鑫科
點擊次數：318 發布時間：2012-12-11
一個好的實驗室和研究部門離不開好的設備和儀器，而一臺成功儀器設備的研發背后卻是實現這臺設備的物理原理、數學和自動控制方法等zui有力的體現和運用。國內目前自主開發的儀器設備太少了，有分量的就更少了。我們只是一味地在買設備，長此以往，后果不堪設想。每每在實驗室里，看到這個國家的設備，那個國家的設備，鮮見我們自己的設備，中國制造怎么就這么難！僅從科學研究和應用的角度來說，是什么阻礙了我們的科學儀器設備的發展和技術進步，試圖從三個方面來闡述這個問題，主要包括物理原理、數學和集成電路等。
從物理原理的掌握和運用上來說，這是限制我們深入發展和創新的*個原因。舉個例子。1986年，物理學諾貝爾獎授予了掃描隧道顯微鏡STM（scanning tunneling microscopy）研究的幾位工作者, 其中之一是瑞士魯西利康（Ruschlikon）IBM的德國物理學家格爾德.賓寧（Gerd Binnig）和瑞士物理學家羅雷爾（Heinrich Rohrer），表彰他們設計出了掃描隧道顯微鏡。STM的基本原理就是利用量子力學中的隧道效應，在金屬針尖和樣品表面形成隧道電流，從而實現了原子的表面成像。但是限于當時的技術條件，樣品只能是導電的，還不能在非金屬表面上進行成像。然而，隨后的發展卻更讓我們吃驚，一些科學家又相繼開發出能夠在絕緣襯底上的原子力顯微鏡AFM（atomic force microscopy），它是以硅或氮化硅為針尖與樣品表面直接接觸（contact mode），施加到樣品上的力小到只有幾個納牛（nN）,甚至更小。這樣，一下子就將測試的樣品類型擴展到了幾乎所有的被研究的材料表面。隨后，人們又開發了多種多樣功能類型的表面成像設備。從此，在微米、納米尺度甚至原子水平上表面特性的研究進入到一個嶄新的領域。由此看來，物理原理的掌握和運用實在是一個重要因素。
對數學的理解和運用是第二個主要因素。現代的工業絕大部分技術的實施都是以計算機控制為基礎，因此，需要對諸如電壓等物理模擬量需要進行數字化，然后計算機才能夠進行有效的數據采集，再對數據進行分析，光滑處理，包括濾波分析、時域分析和頻譜分析等，zui后輸出圖像等一些列過程。其中，要用到很多數學運算，傅里葉變換（FFT）、拉氏變換（Lplpace）、卷積（convulution）、相關（correlation）和互譜（cross spectrum）等。從這些分析途徑中可以對信號進行頻率的提取、圖像的光滑處理、和未來事物發展的預測等。我們每每能夠看到一些設備的軟件做的不僅界面漂亮，而其數學處理真是很專業、深入又實用。現在，我們也看到國內某些研發部門也都做出了不少自己有特色的軟件，但能否持續開發升級堅持下去，仍是一個問題。因此，只有當從數學原理上有了深刻的認識，并應用到設備上，這才能發揮數學真正的作用。
第三個便是集成電路的研發與應用。固體電子學zui大的成功是半導體上的集成電路的成功研制，集成電路上zui大的成功應用是在計算機上的發展，而計算機的發展卻是帶動整個網絡時代發展的主要工具，并極大促進整個工業界在自動控制技術等領域中的應用。因此，集成電路的發展真正代表了一個國家科學技術發展的源動力。集成電路在摩爾定律的驅動下，已經大踏步向前，據說IBM等大公司已經開始向9nm的技術邁進。如果我們不能突破這一瓶頸，我們將會被越拉越遠。
這三個方面的問題無疑是制約我們科技發展和進步的主要因素，其中既涉及到軟的環境又涉及到硬的環境。我們可能既不缺乏懂得物理原理的人、也不乏善于數學的人，也不乏努力的技術人才，但是，如果沒有一個很好的整合，未來真的將被越拉越遠。只有開發出自己的設備，才能做出真正的屬于自己的科研，才能真正實現中國制造。