研制出世界最小光譜儀 他是如何做到的？

“肉眼所見的世界，并非真實(shí)的世界，只是紅綠藍(lán)三色在我們腦海中的投影。” 1666年，牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡的折射后可觀察到更多光譜色，這個(gè)實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了光譜儀的誕生。憑借光譜儀這一工具，人類掌握一種新的精確探測物質(zhì)的能力。

300多年后，一位來自中國浙江的年輕學(xué)子負(fù)笈劍橋，來到牛頓曾靈感迸發(fā)的地方。在這里，他突發(fā)奇想，希望研制出一種新型的納米線材料，進(jìn)而突破在微米尺度上實(shí)現(xiàn)大光譜范圍色散的科學(xué)難題，解決傳統(tǒng)光譜儀小尺寸與高性能無法兼具的挑戰(zhàn)。他就是2023達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)的獲得者楊宗銀。

12月27日，2023達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單正式公布，作為獲獎(jiǎng)的15名青橙學(xué)者之一，楊宗銀將獲得可自由支配的百萬元獎(jiǎng)金。達(dá)摩院青橙獎(jiǎng)旨在發(fā)掘和幫助更多對科技進(jìn)步有重要推動(dòng)作用的35歲以下中國青年科學(xué)家，鼓勵(lì)他們在重大科研攻堅(jiān)中挑大梁，發(fā)揮榜樣作用，帶動(dòng)更多人關(guān)注和投身科學(xué)研究。

“世界上最先進(jìn)的材料合成，

最高超的實(shí)驗(yàn)技巧，

最巧妙的算法”

楊宗銀現(xiàn)任浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院百人計(jì)劃研究員，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體光電子傳感器。在楊宗銀的桌子上放著兩臺(tái)光譜儀，一臺(tái)像個(gè)老式電視機(jī)，一臺(tái)只有飲料瓶蓋大小。而就是這樣一個(gè)只有飲料瓶蓋大小的器件，楊宗銀前前后后研究了8年，這其中還有著失敗了150多次的崩潰。

光譜儀在科研和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，大部分光譜儀體積龐大，工作原理仍和牛頓當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)相似，但已無法滿足日益發(fā)展的光譜應(yīng)用技術(shù)的需求。因?yàn)闇p小分光和探測元件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀檢測質(zhì)量顯著下降，所以光譜儀微型化是目前科技界面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。

楊宗銀研發(fā)的微型光譜儀尺寸僅幾十微米，不需要孤立的分光和探測元件，是目前市面上最小光譜儀的千分之一。更值得關(guān)注的是，與動(dòng)輒上萬元的光譜儀相比，這款微型光譜儀價(jià)格低至50元以內(nèi)，通過進(jìn)一步開發(fā)，可內(nèi)嵌到手機(jī)、無人機(jī)以及可穿戴設(shè)備中。未來，用手機(jī)掃一掃，檢測一下蔬菜瓜果農(nóng)藥殘留，“讀出”牛奶里是否含有三聚氰胺，血糖指數(shù)隨時(shí)無傷檢測……這些科幻片里的情景，很可能變成現(xiàn)實(shí)。

回顧那段歲月，楊宗銀每天都是劍橋大學(xué)電子工程系實(shí)驗(yàn)樓最晚走的那個(gè)人，“很煎熬也很值得”，這也為其日后培養(yǎng)沉下心來做科研的品格奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

但那時(shí)候，楊宗銀也不是沒有過動(dòng)搖，“每天晚上大概10點(diǎn)做完實(shí)驗(yàn)，騎車穿過燈紅酒綠的劍橋市中心，看到大家都穿得很漂亮在酒吧放松，也會(huì)想自己是不是沒有融入當(dāng)?shù)厣?。但一想到，如果有可能把這個(gè)科研做出來，就能開拓一個(gè)新的領(lǐng)域，就很興奮地騎車回家，然后第二天又信心滿滿地去實(shí)驗(yàn)室。”

楊宗銀也經(jīng)歷過至暗時(shí)刻，2018年的他在失敗了150多次后陷入了自我懷疑，有半年時(shí)間他一度停止了實(shí)驗(yàn)。但他內(nèi)心還有不甘：“三年的努力難道就這樣白費(fèi)了嗎？”而轉(zhuǎn)機(jī)就出現(xiàn)在一個(gè)平常的早上，楊宗銀在晨跑的時(shí)候和另一個(gè)系的跑步搭子聊起了最近的煩心事，朋友聽完后問他：“會(huì)不會(huì)是某個(gè)算法出現(xiàn)了問題？”楊宗銀突然好像見到了曙光。

2018年8月，在一個(gè)周六的晚上，楊宗銀在實(shí)驗(yàn)室測量到了信號(hào)，有點(diǎn)不敢相信自己的眼睛，驗(yàn)證了多次都和商用光譜儀測量結(jié)果相符。他在日記中寫道，“那一刻百感交集，想到這幾年的種種經(jīng)歷，一個(gè)人在實(shí)驗(yàn)室呆坐了好久好久。”

可喜的是，他的論文于次年5月投稿給Science雜志，7月便被接受。Science的編輯評價(jià)這項(xiàng)成果是“世界上最先進(jìn)的材料合成，最高超的實(shí)驗(yàn)技巧，最巧妙的算法”， 楊宗銀的科研成果也讓中國在光譜儀微型化領(lǐng)域走在了世界前列。

“理論型的科學(xué)家為人類開拓邊界，

應(yīng)用型科學(xué)家則通過制造工具造福社會(huì)”

“我從小就喜歡做電子機(jī)械相關(guān)的一些研究。最喜歡的動(dòng)漫是機(jī)器貓，哆啦A夢。我覺得創(chuàng)造更多好玩的發(fā)明是我人生的追求。”楊宗銀出生在溫州蒼南，小時(shí)候的他也是個(gè)讓人頭疼的“破壞大王”。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)物質(zhì)條件不太豐裕沒有玩具，他就以拆電器制作小發(fā)明為樂。為此，他也沒少挨父母批評。他總是會(huì)把家里收音機(jī)、鬧鐘甚至電視等拆開，研究其中的機(jī)理。

“其實(shí)很多時(shí)候是因?yàn)闆]有配件店，所以只能拆東墻補(bǔ)西墻。”他制作出的隨著光照自動(dòng)響的鬧鐘，河里可以自動(dòng)開起來的小船，光控?zé)舻?，都是他童年自娛自樂的小玩具?/p>

楊宗銀從小對各種科學(xué)問題充滿興趣，在他看來，科學(xué)家是一個(gè)很好的職業(yè)，有興趣也有能力去做一些探索未來的工作。“理論型的科學(xué)家為人類開拓邊界，應(yīng)用型科學(xué)家則通過制造工具造福社會(huì)。”

循著夢想的軌跡，他考上了浙江大學(xué)機(jī)械系本科，碩士保送到心儀的光電子研究領(lǐng)域，隨后拿到了全額的獎(jiǎng)學(xué)金赴劍橋大學(xué)讀博，并接過牛頓的思考，推動(dòng)光譜儀進(jìn)入到納米時(shí)代，有可能創(chuàng)造出更大的技術(shù)應(yīng)用前景。

他總結(jié)稱，小時(shí)候做機(jī)械的想法，并不是對科學(xué)的全面認(rèn)知，當(dāng)時(shí)對科學(xué)的理解就是目之所及的電路，但當(dāng)認(rèn)知邊界擴(kuò)展后，他想做出更多前沿科學(xué)成果，而這些想法，也為他造出“世界最小納米光譜儀”打下了基礎(chǔ)。

“當(dāng)時(shí)去到劍橋，看到那棵砸中牛頓的蘋果樹后代就種在劍橋三一學(xué)院門口的時(shí)候非常激動(dòng)。”楊宗銀說很難用語言表達(dá)當(dāng)時(shí)的震撼，那一刻自己離夢想中的科學(xué)家這么近。“當(dāng)時(shí)發(fā)表的那篇Science論文，劍橋大學(xué)新聞稿標(biāo)題就是‘超越牛頓光學(xué)實(shí)驗(yàn)的極限’。在牛頓光學(xué)的基礎(chǔ)上做得更小，我確實(shí)是有受他這個(gè)啟發(fā)，而且我成功的地點(diǎn)剛好是在劍橋，覺得這也是冥冥之中有所關(guān)聯(lián)的。”

如今，學(xué)有所成的楊宗銀回到了母校浙大任職，專注于將光譜儀微型化的成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，無創(chuàng)血糖檢測是核心應(yīng)用場景之一。由于親友中有糖尿病患者，楊宗銀看到糖尿病人在生活上的諸多不便，“每天都要扎手，這個(gè)真的很難受，中國的糖尿病人有上億之多，希望光譜儀的技術(shù)能夠推廣下去，真正幫助到他們。”

而此次獲得青橙獎(jiǎng)，楊宗銀也有些激動(dòng)：“青橙獎(jiǎng)跟其他學(xué)術(shù)評選很不一樣，不唯論文，不唯資歷，更看重技術(shù)的創(chuàng)新性與應(yīng)用性，在學(xué)術(shù)圈的認(rèn)可度非常高。”

楊宗銀今年35歲，是第一次也將是最后一次獲此殊榮。“你做的研究，要么上貨架，要么進(jìn)教科書，如果兩點(diǎn)都能做到，人生就真的非常完滿了。”他這樣說。