圖：JEM-200CX 高分辨率電子顯微鏡丨來源：網絡

從打鐵的工藝到冶金的科學

毫無疑問，高分辨率電子顯微鏡在材料科學中的作用極為關鍵，而材料已日漸成為了一個國家戰略科技力量的重要組成部分。當下，“（我們國家的）很多領域使用的材料，只要是高端的，都不行。”作為一位著名的材料科學家，張澤院士說出這樣的話，無疑是痛心的。我國高端材料嚴重依賴進口，為此張澤舉了最常見的玻璃材料作為例子。同樣是玻璃，建筑玻璃便宜， 是按噸賣的，而到了用于眼鏡、透鏡等的光學玻璃就不一樣了，價格直線上漲。再往上，用玻璃纖維做激光手術刀，就更貴了，是按克賣的。貴在哪兒？“是科技含量，而我們現在科技含量最好的，也就在中游，到不了中高檔，這是由整個產業決定的”，張澤解釋道，比如最近呼聲很高的 C919 大飛機，其核心的航空發動機也不是完全國產自研的。為什么？很大的原因是材料不行，“光是發動機渦輪葉片就無法國產”。

為什么會這樣呢？究其原因，張澤院士認為是知識結構與認知的缺失，是因為“材料問題就是工藝問題”的淺薄認知普遍存在。張澤院士舉了兵器鍛造的例子生動地說明了這一點。作為一門傳統工藝，“漫長的鐵器時代中我們看到的都是鐵匠將鐵放進火爐燒，然后用錘子反復敲打，最后放進水里‘呲啦’一聲完成淬火，卻沒有人能說清楚鐵怎么就由軟變硬了”，其中火爐的溫度、加熱的時長、敲打的力度、淬火的冷卻速度等等，都是未知數，全憑鐵匠師傅的感覺。而這個問題的解決還是近一二百年，最終依靠顯微鏡看到了原子結構，科學家們才終于知道硬度的變化來源于鐵器中鐵與碳的結構變化。“這個傳統的工藝問題是經過了上百年，才最終依靠科學的儀器、科學的方法得以解決”，張澤說道，這才叫“知其然而知其所以然”。

圖：打鐵的傳統工藝丨來源：pexels.com & j.mt_photography

工藝問題本質上還是科學問題，而要解決科學問題，頂級的科學儀器必不可少。當下，國際局勢復雜動蕩，而“高端科學儀器 90% 以上依賴進口”的我們，被“卡脖子”的問題日益突出，許多高端儀器被禁止向中國出口，而即使是高價進口的儀器，也面臨著沒有專業人員維保和配套部件短缺的問題。

在這種嚴峻的形勢下，“科學的飯碗就是科學儀器，我們的飯碗必須端在自己手里”，張澤院士斬釘截鐵地說道。也正是由于這個原因，他從 2013 年開始申請并牽頭了“針對若干國家戰略需求材料使役條件下性能與顯微結構間關系的原位研究系統”國家重大科研儀器研制項目（以下簡稱“重大項目”），不僅要看清“鐵”的顯微結構，更要看清在不同溫度、不同應力下“打鐵”全過程的顯微結構變化與性能表現，找到兩者之間的對應關系，做一個原位、實時、動態、多場作用下的“可視化鍛壓機”。“我們當時提出了兩個指標”，張澤院士講到，一千多度的溫度和一百多兆帕的應力，直接對標“航空發動機中渦輪葉片最敏感的部分所受到的溫度和應力”。這看起來是工廠制造的范疇，但從科學的角度來看，其內部的組織結構才是根本性的影響因素，也必須與核心需求結合起來。

該項目最終于 2019 年超預期結題，取得了原子點陣分辨高溫力學原位研究系統和納米分辨高溫力學原位研究系統兩項國家重大科技成果，在電鏡腔內最高測試溫度、最大施加載荷等多項參數上都突破了世界最高水準，讓我國擁有了集材料顯微結構表征和力學性能測試于一體的動態、實時、跨尺度的國際領先電子顯微平臺。

圖：重大項目報告丨來源：國家自然科學基金委員會官網

如果換作別人，故事或許到這里就圓滿結束了，后續最多就是將研發的儀器設備對外開放使用。但張澤院士認為這遠遠不夠，“這充其量就是自己跟自己玩，你把自家的廚房弄好了，別人家的廚房還是不行”。俗話說，“造船不如買船，買船不如租船”，在特定歷史條件下這或許是正確的選擇。不過多年以來，我們憑借國家的雄厚財力大量購買國外的儀器，過度依賴進口，如今終于面臨被“卡脖子”、突然斷供的尷尬境地。造成這樣的處境，張澤院士認為最根本的原因在于，“很多人并不真正相信科技就是生產力”。