篳路藍縷啟原位透射電鏡之路 篤行不息拓國產高端儀器之疆
——訪廈門超新芯科技有限公司創始人廖洪鋼
【化工儀器網 人物訪談】近日，國家自然科學基金委員會揭曉2023年度中國科學十大進展。廈門大學化學化工學院、固體表面物理化學國家重點實驗室廖洪鋼教授、孫世剛院士團隊研究成果“發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制”入選。此項成果基于研究團隊自主開發的高時空分辨電化學原位液相透射電鏡技術，而廖洪鋼正是該技術領域的開拓者之一。
在科研道路上，廖洪鋼一路披荊斬棘，見證了原位液體透射電鏡技術從被質疑到獲得認可，并最終成為一項具有“顛覆性”的技術變革。他也從最初的科研“冷板凳”上站起，成為這一新領域的領軍人物。化工儀器網有幸對廖洪鋼教授進行了專訪，深入了解了他在原位透射電鏡研究中的精彩故事，以及他為推動原位液相透射電鏡技術產業化作出的巨大貢獻。
原位液相透射電鏡技術：從探索到突破
透射電鏡(TEM)具有超高的時間和空間分辨率，是化學、材料及其他相關學科領域的強大表征分析工具。但常規透射電鏡利用電子束作為照明源，需要在高真空環境中運行，因此樣品以固體和干燥樣品為主，限制了其在液體領域的應用。
早在1930年代，研究者就開始嘗試利用兩片鋁箔包裹樣品的方法進行液體環境的透射電鏡研究，但這種方法僅能提供微米量級的分辨率，幾乎無法滿足實際應用的需求。直到進入21世紀，隨著微納加工等技術的發展，用于封存液體樣品的微型液體池被成功設計制造出來，才使得原位透射電鏡技術得到突破性的進展。
2003年，F. M. Ross課題組首次采用非晶氮化硅薄膜作為電化學液體池的觀察窗口原位研究了Cu在Au電極的電化學沉積過程。這一創新成為后續液相透射電鏡技術的原型。但在初期，由于難度高、投入大，原位透射電鏡技術并未得到廣泛認可。
2009年，勞倫斯伯克利國家實驗室鄭海梅教授通過微納加工方法制作了一種靜態液體池用于研究單晶鉑納米晶體的生長，這種結構將分辨率提升至亞納米級別。在此之后，鄭海梅團隊進一步拓展研究方案，發表了一系列研究成果，充分展示了原位液相透射電鏡的應用潛力，從而掀起了這一領域的研究熱潮。而廖洪鋼在勞倫斯伯克利國家實驗室擔任助理研究員時期，導師正是鄭海梅教授。
“前十年大家還在思考這個東西到底能做什么，到后十年，因為有了熱點的應用方向，才開始快速發展。”廖洪鋼說，“但目前它仍處于非常早期的發展階段。”過去十多年，原位液相透射電鏡技術的應用集中在很小的領域。廖洪鋼認為，現在是該技術正要大規模發展其他應用的關口，未來還會有非常大的發展機遇。
用堅持與好奇書寫原位電鏡新篇章
在廖洪鋼涉足原位電鏡研究領域之初，該領域尚屬未知，甚至連原位電鏡的概念都未曾存在。他僅憑著一股“想要證明自己”的韌勁，毅然踏上了這條探索之路。研究生時期，他在納米材料合成研究中觀察到了各種形狀的納米材料。當他嘗試向期刊投稿時，卻由于提出的合成機理缺少足夠證據而遭到質疑。這次經歷讓廖洪鋼下定決心，要通過電鏡觀察納米材料生長的整個過程。這一信念貫穿了他的研究生涯，并成為支持他在還未被前人開拓的科研道路上前行不輟的動力。
談到多年的“冷板凳”以及周圍不理解的聲音，廖洪鋼報以從容微笑。那些承受否定與壓力的歲月，如今已成為他獨立研究時的寶貴財富。回國后，廖洪鋼帶領團隊進行了無數次的嘗試，盡管過程中充滿了失敗與挫折，但他從不將其視為失敗。他深知，要利用新的技術和方法得到新的研究成果，需要不停地思考和嘗試，尤其是在沒有前人經驗的情況下。
數十年如一日的研究最終結出了累累碩果。廖洪鋼及其團隊開發了多種原位電鏡芯片反應器及系統，將氣液體流場引入電鏡，實現光、電、熱、力等外場控制及測量引入原位/工況高時空分辨研究，在原位電鏡領域取得了眾多成果，并獲得了廣泛認可。“我覺得最難的點對我們來說可能就是堅持。”廖洪鋼這樣說道，“在整個過程中保持好奇心，當你通過新的方式去獲取以前所未知的東西，你會非常激動，而這樣的心情能夠促使你長年地堅持下去。如果你堅持下去，那么遲早能克服困難，得到你想要的結果。”
產學研融合 加速原位電鏡技術發展
2019年，廖洪鋼創立廈門超新芯科技有限公司，將產、學、研深度融合，矢志不渝地推動各類原位芯片技術的發展與應用。在他的規劃中，這家公司的誕生將為原位電鏡的技術發展和應用推廣提供重要助力。
首先，公司的創立為廖洪鋼的眾多科研成果開辟了一條更為便捷的產業化道路。高端科研設備的研發涉及多學科交叉，不僅需要儀器技術，更融合了機械、電子、軟件等眾多領域的智慧。研究團隊中每個人的專業背景有限，而成立公司能夠集結各方英才，共同完善和優化儀器的設計。此外，公司也為其贏得了更多的政府和社會資金支持，為科研活動的持續開展提供了有力保障。
其次，公司的成立使得研究團隊能夠更專注于科研。通過與公司的緊密合作，許多技術研究工作得以轉移到公司部門中，極大地減輕了團隊成員學習跨學科基礎知識的負擔。同時，團隊中涌現的新想法和遇到的問題也能通過公司同事的協助，更加精準和高效地得到解決，從而推動設備不斷優化。
目前，國外眾多企業已成功將原位電鏡商業化。然而引入進口儀器不僅價格高昂，往往還無法完全適配國內研究者的需求。廖洪鋼也希望，能夠通過廈門超新芯科技有限公司實現原位電鏡技術的本土化發展創新，為國內研究者提供更好的服務與支持，以在國際上引領相關領域研究。
應用落地 貢獻原位電鏡中國方案
自成立以來，超新芯已實現了原位產品的全系列供應，產品涵蓋科研類芯片、分析測試芯片、集成測量芯片及系統、芯片實驗室解決方案和電鏡配套樣品臺系統。其產品已全面進入各大高校和科研院所高端實驗室。同時，超新芯還與產業和業內領先的儀器公司密切合作，共同發展中國原創的新技術和方法，為我國高端科研儀器國產化作出了突出貢獻。
2023年，超新芯攜手蔡司推出國內首個具有高品質成像和先進分析特點的原位液體電化學顯微解決方案。該技術克服了液相密封安全性、液相對電子束的成像干擾、電學測量精準性、液相流控穩定性等方面的局限，實現樣品在液氛中電化學反應過程的實時動態高分辨表征。這是超新芯在原位液體領域的最新成果。
而入選2023年度中國科學十大進展的“發現鋰硫電池界面電荷存儲聚集反應新機制”充分體現了原位液相透射電鏡技術在電池研究中的應用價值。電化學界面反應在近百年來通常認為通過“內球”或“外球”單分子機制完成，該研究揭示出存在“電荷存儲聚集反應”機制，為下一代電池設計提供了新的思考方式。
此外在原位氣體和原位冷凍等領域，超新芯也推出了眾多解決方案。例如，超新芯依托現有的冷凍桿和冷凍電鏡兩種原位冷凍實驗方法開發優化方案，成功推出了高性價比、高穩定性的原位冷凍電鏡解決方案。
從基礎研究到成果落地，廖洪鋼走過了漫長而曲折的科研創新道路。如今，隨著超新芯不斷推出先進的產品和解決方案，他的理想也在逐步變為現實，為我國科研事業的進步和發展貢獻著智慧和力量。
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