讓離子為人類發(fā)展服務
——記蘭州大學核科學與技術學院張紅強教授

讓離子為人類發(fā)展服務
——記蘭州大學核科學與技術學院張紅強教授

本刊記者 張春壯

張紅強(右二）和團隊成員在實驗樓前合影留念

大千世界，充斥著無數(shù)肉眼看不到、雙手摸不著的神秘元素，它們無時無刻不影響和改善著我們每個人的生活。對納米結(jié)構(gòu)的研究正是基于為人類提供一個可以深入地揭示這些微觀元素本質(zhì)的方法而開展的。近年來，以納米微孔膜為代表的納米微結(jié)構(gòu)在工業(yè)、微生物、醫(yī)藥、物理等多領域廣泛應用。在基礎物理學領域，離子與微納米材料的相互作用，是離子束物理的前沿課題之一。

“離子束斑在穿越不同形狀截面的微孔時，會產(chǎn)生相異的幾何形狀”，蘭州大學核科學與技術學院張紅強教授發(fā)現(xiàn)，在離子穿越菱形微孔之后，束斑被規(guī)整為矩形，反之，矩形的微孔使得穿越的離子束規(guī)整為菱形。

這一發(fā)現(xiàn)為納米微結(jié)構(gòu)作為荷電離子無場可控操作元件提供了另外一個功能，那就是利用離子穿越微孔結(jié)構(gòu)的導向效應不僅能夠?qū)崿F(xiàn)聚焦、偏轉(zhuǎn)離子之外，還可以對離子束進行幾何成型。這個新方向的為高電荷態(tài)離子束無場光學元件的傳輸提供了新的視角，張紅強及其團隊進而得到國家科學自然基金項目“納米微結(jié)構(gòu)作為荷電粒子束傳輸原件的研究”的支持。

積淀 結(jié)緣離子十余年

2002年，張紅強于蘭州大學物理科學與技術學院本科畢業(yè)，緊接著又在母校核科學與技術學院開始了碩博連讀生涯，“開始真正與離子打起了交道”。

4年時間內(nèi)，張紅強跟隨導師參與了大量的實驗研究，在離子與表面互作用方面積累了廣泛的實際經(jīng)驗和專業(yè)知識，尤其是高電荷態(tài)離子與表面相互作用的離子中和過程、鏡像電荷加速、離子在表面的散射過程、離子中和過程中的x射線的發(fā)射、固體原子的電離激發(fā)導致的內(nèi)殼層x射線的發(fā)射課題上，建立了完善的知識體系，為其今后離子束相關層面的研究奠定了堅實根基。

站在學科國際前沿，方可讓自己具備獨到的學術眼光。在蘭大歷經(jīng)8年學習研究后，張紅強于2006年踏上了瑞典留學的征途。在斯德哥爾摩大學物理系原子物理部博士畢業(yè)后，他又做了一段時間的項目研究助理。在此期間，張紅強跟隨導師主要從事“高電荷態(tài)離子與絕緣體微孔膜相互作用”的研究課題，參與負責高電荷態(tài)離子與SiO2,Al2O3, PET,云母微孔膜的相互作用以及離子穿越玻璃毛細管的出射離子的角分布和能量分布的測量項目。在科研的舞臺上逐漸拉開了“離子與納米微結(jié)構(gòu)的相互作用研究”的序幕。

在實驗平臺的構(gòu)建工作中，他主要負責設計了用于測量離子單電荷攜帶能量的127度靜電分析器及其獲取系統(tǒng)，搭建了基于兩種類型-延遲線和電阻膜陽極的二維探測器系統(tǒng)。通過參與玻璃毛細管制作過程在離子與云母表面碰撞導致的納米結(jié)構(gòu)形成，以及重離子轟擊云母后的蝕刻實驗以制備云母微孔膜上，他建立了一套完整的實驗流程。

2008年，通過大量實驗反復推演驗證，他發(fā)展了一個基于經(jīng)驗的模型勢的理論（PHYSICAL REVIEW A 82, 052901(2010)），成功解釋了時間演化的出射離子角分布所對應的電荷沉積，為離子與微孔膜的相互作用中實驗觀測到的出射離子角分布的時間演化過程給予了量化的解釋。與此同時，他在高電荷態(tài)離子與納米微孔膜相互作用研究這個領域內(nèi)也開始得到同行的認可。迄今為止，在對于時間演化的出射離子角分布研究方面，這個模型理論仍作為目前僅有的幾個理論結(jié)果之一而備受關注。

張紅強與團隊成員在一起

多年來，東西方文化在他身上相遇，已經(jīng)不再是形式的混體，而是精神層面的融合。張紅強的科研理念里，具備了中國智慧的通達，也兼容了西方思想的嚴密邏輯。由此，他對科研工作有了更深層次的認識，同時對科學研究也更加熱愛。

葉落歸根，同樣，張紅強作為一個傳統(tǒng)教育觀念下的中國人，在外數(shù)年雖載譽滿身，可終究抵不過內(nèi)心深處對桑梓地的無限眷戀。2011年，他結(jié)束瑞典期間的學習工作后，毅然回歸蘭州大學核科學與技術學院——這個他科研之路開始的地方。

回歸蘭大后，張紅強保持固有的科研理念——即實驗又要創(chuàng)新，帶領學生踏上了科研創(chuàng)新的征途。

創(chuàng)新 觀測納米微孔與離子束斑成型效應

近年來，高電荷態(tài)離子與絕緣體微孔膜之間相互作用時出現(xiàn)的導向效應，讓人們得以觀測到在大于微孔的縱橫比所決定的角度下高電荷態(tài)離子仍然可以穿越這一現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)出射離子角分布的中心在納米微孔的軸向所對應的方向附近，絕大多數(shù)穿越的離子仍然可以保持其初始的電荷態(tài)和動能。此外，以單分子層的碳化合物膜為代表的納米微結(jié)構(gòu)材料的發(fā)現(xiàn)，也使離子與固體相互作用領域走向一個新的發(fā)展方向。

“離子與納米微結(jié)構(gòu)間相互作用的時間很短，在入射離子能量為keV范圍的時候，相互作用時間僅為1-4fs,離子穿越這種材料后其電荷態(tài)還處于不平衡狀態(tài)”，張紅強認為，“這能夠為科研人員提供一個入射離子依賴于初始電荷態(tài)的預前平衡態(tài)能量損失的觀測平臺”。

隨著大量新型納米微結(jié)構(gòu)材料迅速涌現(xiàn)，粒子與物質(zhì)相互作用領域迎來新的發(fā)展契機。通過荷電粒子與納米微孔的相互作用中的導向效應，可以對出射離子角分布的時間演化來測量沉積電荷，張紅強認為，“相比于傳統(tǒng)的荷電粒子束需要外接電場或者磁場來控制，使用絕緣體微孔，人們可以在無外接場的情況下操控束流”。因此，微結(jié)構(gòu)材料成為了傳輸荷電粒子束流的光學元件。

目前，國內(nèi)外實驗室中在采用單個入口為亞毫米量級而出口為微米到幾百個納米的玻璃毛細管作為離子束操控的工具，來進行高電荷態(tài)離子、分子和離子等通過納米微結(jié)構(gòu)的離子束流傳輸實驗時，多采用圓形的微孔截面，呈現(xiàn)出的出射離子的角分布幾何形狀僅與微孔的傾角和張角有關。為探尋出射離子角分布的其它形狀，借助蘭州大學核科學與技術學院粒子束物理實驗室新搭建的粒子與表面相互作用平臺，張紅強帶領團隊正在制備并采用新的微結(jié)構(gòu)材料作為離子束的研究對象。

過去實驗過程中，張紅強等人發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：當離子穿越菱形微孔之后，束斑被規(guī)整為矩形。反之，當離子束穿越矩形微孔時被規(guī)整為菱形。他在高電荷態(tài)Ne7+離子與尺寸為幾百納米的菱形和矩形微孔的相互作用的研究中，解釋了這種幾何成型效應。即由于離子穿越微孔時在其內(nèi)部會誘發(fā)鏡像電荷，從而產(chǎn)生一個指向內(nèi)壁的鏡像力，這個力加在離子束的橫向，從而使其產(chǎn)生散焦作用。離子束在傳輸過程中，由于微孔的幾何構(gòu)造，大于特定角度的離子將被微孔內(nèi)壁阻止而不能穿越，從而使得穿越的角分布呈現(xiàn)規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)這項研究得到的結(jié)論來看，納米微孔結(jié)構(gòu)不僅可以用以實現(xiàn)離子聚焦、偏轉(zhuǎn)，還可以根據(jù)微孔形狀進行幾何成型。

后續(xù)的實驗取得了可喜的階段性成果，基于已經(jīng)得到的實驗結(jié)果，他仍在思考“如何尋找合適的微結(jié)構(gòu)來操控離子束”。在接下來的實驗研究中，他會繼續(xù)帶領團隊利用高電荷態(tài)離子，通過二維位置靈敏探測系統(tǒng)來研究其通過特殊制備的微結(jié)構(gòu)的出射離子的角分布和電荷態(tài)分布，以探索更合適的離子束成型的傳輸元件。同時，在高電荷態(tài)離子穿越矩形截面微孔云母膜后出射離子的能量分布的測量方面，他們將采用127度靜電分析器來準確探測離子在表面的鏡像電荷加速機制以及離子束角發(fā)散和能量發(fā)散對其穿過微孔膜之后形成幾何形狀的相互關系。

在納米材料使用日益廣泛的今天，荷電粒子束與納米微孔膜、單納米微孔、玻璃毛細管以及單原子層固體材料等納米微結(jié)構(gòu)間的物理作用機制，為當今各種納米材料的研制及納米技術的發(fā)展應用帶來的新的研究視角，也為促進醫(yī)藥行業(yè)、金屬產(chǎn)品制造、蓄電池產(chǎn)業(yè)等的快速發(fā)展起到推動作用。這也實現(xiàn)了張紅強一直以來的理想，讓環(huán)繞在人類周圍的離子“真正為人類持續(xù)健康發(fā)展服務”。