为纳米尺度的科学研究插上翅膀
——记清华大学“校长杯”创新挑战赛铜奖项目“高性能扫描隧道显微镜”及其团队
首届“校长杯”创新挑战赛由清华x-lab发起并主办，自2013年12月启动以来，共吸引了125支由清华大学在校学生、校友及教师组成的团队参赛。历经初选、复选、半决赛的激烈角逐，最终金银铜奖十强团队脱颖而出。张磊团队的项目“高性能扫描隧道显微镜”成功闯入十强，最终斩获铜奖。在基础科学的高端仪器装备制造领域制造出性能更优、成本更低的高端产品是张磊团队所追寻的目标。
开端：“技术是被逼出来的”
图为团队在获奖现场。
“高性能扫描隧道显微镜”无疑是本届“校长杯”创新挑战赛中科技含量和单元造价最高的项目。作为一种利用量子力学隧道效应探测物质表面结构的仪器，其在表面物理等纳米尺度的科学研究中发挥重要作用，当然造价也不菲。
张磊是该项目团队的创始人兼CEO，毕业于清华大学2001级理学院基础科学班，后前往德国卡尔斯鲁厄大学攻读博士学位，师从伍尔夫菲克教授从事表面物理方面的研究。张磊掌握着隧道扫描显微镜制造的核心技术，对市面上的各类隧道扫描显微镜如数家珍，“一台常见的4K级的扫描隧道显微镜售价为60万欧元”。
“我们实验室在研究稀土元素时希望通过一个原子的不同量子态来储存信息，但两个量子态往往相差的能量仅为零点几毫电子伏。若用4K级的扫描隧道显微镜进行观测，噪音往往都超过两毫电子伏，将导致原子的状态无法稳定。因此这一研究需要借助更高能量分辨率的扫描隧道显微镜。”张磊表示，“我们自行制造具备更高性能的1K级显微镜完全是出于研究的需求，甚至可以说是被逼出来的。”后来张磊所在科研团队在 Nature 、P.R.L.等顶尖杂志发表了十余篇通过使用该设备进行研究的论文。
张磊研发的扫描隧道显微镜主要包括两个核心技术——低温恒温仪及STM探头的改进和创新。张磊采用液氦向自由空间的绝热膨胀的方法来获取更低的温度，他利用这项技术在实验中已获得800mK的稳定低温。目前张磊团队已经开始研制基于10mK低温恒温仪的扫描隧道显微镜，不久这台10mK级设备将会面世。STM探头是显微镜的核心部件，张磊在设计时进行了热学、力学、电磁学全方位的综合计算和模拟，其设计出的探头具有很强的稳定性。使用该探头观测样品时，机械噪声幅度小于200飞米，而其电、热噪声水平也处于世界先进水平。
“扫描隧道显微镜的研制过程真的很艰难，从图纸的设计，每根导线的焊接到每颗螺丝的拼装，都是我亲自动手。”在制造这样一台高性能显微镜的过程中，张磊也曾遇到过巨大的困难。“我从清华毕业到德国的实验室时对于实验物理还非常陌生，一切都是从头开始摸索”，张磊谈到，“实验室由于实验意外火警就引发过两次，还好每次都是虚惊一场”。
张磊在研制过程中曾遇到过一个奇怪的故障，扫描隧道显微镜在低温的超真空环境下出现氦气泄漏。这个问题在常温下根本复现不出来，泄露点找不到，张磊与伍尔夫菲克教授为此苦恼了很久，“我们当时几近绝望，甚至差点打算推倒重来”。后来张磊灵机一动利用电吹风模拟实验环境下的超低温造成的温差处理可疑的表面，利用氦质谱仪终于找到了泄漏点。用张磊的话说，这是他在研制显微镜的滚滚硝烟中最为自豪的一场战役。
回国：探索高新技术产业化的道路
“既然拥有制造如此高性能扫描隧道显微镜的技术，为什么不把我们的技术产业化，为广大的科研工作者造福呢？”张磊从德国卡尔斯鲁厄大学毕业时产生了将他们的技术推广的想法。“扫描隧道显微镜是纳米技术研究必须的高端科研仪器，高性能的扫描隧道显微镜将会成为中国在这一科研领域的助力。”同时考虑到中国的制造成本比国外更低，张磊决定将目标瞄向中国市场。
由于对国内市场拓展不太具有把握，张磊找到了清华2010级MBA杜欣作为联合创始人，共同创办了INS NANO。杜欣在市场拓展、战略财务、风险投资方面有着多年的工作经验，和张磊也是多年的朋友。同时他们还邀请伍尔夫菲克教授作为联合创始人和技术顾问，导师的支持鼓舞并坚定了张磊的创业信念。
张磊于2013年底正式组建好了创业团队，他的研制成果被评为张家港“领军人才”计划重点引进项目进入中国，张家港市还为张磊团队提供了200万元的启动资金。“张家港市给予我们的创业项目以很大的支持，我们非常感激。但由于张家港本地科研资源有限，我们希望通过入驻清华大学X-lab来为产品推广构建更大的平台。”
图为张磊在实验室调试扫描隧道显微镜零部件。
在项目入驻清华大学X-lab后，杜欣以联合创始人的身份与清华大学物理系相关课题组展开了交流。杜欣表示，“清华大学物理系的科研水平很高，但同时物理系设备资源仍然十分紧张，因此物理系的教授对我们的产品产生了浓厚的兴趣。”多次交流后，他们就在物理系构建一台扫描隧道显微镜样机达成了合作意向。“选择清华大学物理系作为产品的发布平台，是因为我们希望我们的产品能够真正在科研中发挥作用，而不是仅仅作为展品陈列在X-lab的会议室中。”物理系的王亚愚教授为张磊团队专门腾出了一间实验室作为样机的搭建场地，并为其配备了2位博士生协助工作。对此杜欣感慨道，“王亚愚教授的鼎力相助让我们非常感动。”
高新科技的产业化注定是一条漫长的道路，但是张磊团队有着自己的规划。杜欣表示，“我们首先希望搭建好第一台产品并进行发布，逐渐形成品牌效应。并通过与科研机构一对一的沟通达成更广泛的合作意向。我们的产品不同于其他密集型行业，用户对可定制性的要求很高，因此所采取的营销方式也将与传统模式有所区别。”张磊团队将始终秉承客户至上的理念为科研工作者做好点对点的服务，在设备后期的维护上设置相关代理人，提升用户购买产品的信心，而这也是点对点营销模式的核心。
思考：如何打破与国外高新制造业的差距
中国的制造业规模早已成为世界第一，但高科技制造也却仍然与发达国家存在不小的差距，如发动机、精密机床、精密仪器等行业在中国始终发展缓慢。对此张磊认为，中国大多数学生缺乏动手能力的锻炼和相应的氛围是制约高科技制造业发展的一个原因。“在德国，女孩子的生日礼物是一把电钻是一件毫不稀奇的事情。他们从小就培养孩子的动手能力，长大后在制造工艺上也常会有创造性的想法。”
“在推广产品的过程中，我们发现一件非常有意思的事。很多国外的科研工作者不会买成套的隧道扫描显微镜，而是买诸如低温恒温仪等核心设备，他们会通过自行组装的方式来搭建满足需求的科研仪器。”张磊对这种“DIY精神”非常认同。科学研究驱使着科学仪器性能的提升，而科学仪器的进步又进一步推进科学研究，这种相辅相成的作用十分微妙。“只有科研工作者自己才知道究竟需要什么样的仪器，科研工作者如果DIY自己的仪器，往往会使得研究更加高效。”
张磊认为，“国内和国际制造业先进水平的差距是个非常复杂的问题，涉及到技术水平、研发投入、基础科研水平、装、产业工人素质甚至文化传统和企业诚信等多个方面，绝不是很快就能迎头赶上的，需要一个过程”。当前国内的制造业既存在不足又在逐渐发展，对张磊团队既是挑战，又是机遇。“我们希望通过改良自己的核心技术，来弥补需要进口次要部件的不足，随着中国制造业的进步及一直以来的低成本，我相信我们的产品一定能够在中国打开市场，创造一个领先于世界的品牌。”张磊对于未来的发展充满信心。
“中国的制造业很具有价格优势，如果能够在工艺上有所突破，必然会让中国的产品更具竞争力。”张磊与清华大学机械系助理教授刘磊展开了合作，刘磊能够为其提供专业的焊接工艺。在张磊看来，中国是不缺乏技术的，但是缺乏技术的整合。“通过合作等方式整合资源，将优秀的技术有效结合起来，是推动制造水平进步的一个途径。”张磊对于每一个合作机会都非常重视。
张磊团队的梦想还远远不止于此，扫描隧道显微镜只是一个开端。他们渴望着能够和其他中国的高端科研仪器生产公司展开合作，为科学研究提供一体化的解决方案，构建一个中国版的国家仪器公司。让我们期待张磊和他的团队，携着“为纳米尺度的科学研究插上翅膀”的梦想，为中国高新技术产业注入新的活力。
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