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澳大利亚科学院院士顾敏教授做客第105期大师讲坛

[ 责任编辑 ]: 刘畅 [ 发布日期]: 2018-07-25 07:52

7月13日,澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士、中国工程院外籍院士、皇家墨尔本理工大学副校长顾敏教授在图书信息楼9楼报告厅做客第105期大师讲坛,为交大师生带来题为“Additive manufacturing beyond the Abbe’s limit”的精彩报告。

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作为学校物理系1977级校友,顾敏教授首先介绍了自己在交大的求学和工作历程。本科毕业后,他到中国科学院上海光学精密机械研究所学习,先后获得硕士和博士学位。他指出,他在中国接受了优质的教育,这为他今后事业的发展奠定了坚实基础。1988年,他到澳大利亚新南威尔士大学工作,两年后,他又到了澳大利亚悉尼大学工作。1995年,他做出了一个重要决定,即离开悉尼大学到澳大利亚排名相对靠后的维多利亚大学独立开展研究工作。维多利亚大学成为他科研的另一个起点,他得到学校的大力支持,才华迅速得到施展。经过三年半的艰苦奋斗,他从讲师成长为讲席教授。他认为,每个人的成长经历都不同,对自己的成功之路需要认真思索,并找到合适的成长途径。2000年,他到了斯威本科技大学,重新创建了自己的实验室。经过16年的奋斗,他把最初由10人组成的100平米实验室发展成为3000平米的微光子学中心,位居澳大利亚前五名。2016年,他看到了新的机会和希望,离开了辛苦创建的研究中心,决定去开创更好的未来。他认为,过去取得的成果并不一定是财富,它可能会束缚自己今后在科学技术道路上的探索,因为探索需要具有开拓精神。

在激光增材制造的过程中,关键的限制因素是激光的特征尺寸,这一尺寸由阿贝尔定理决定,被称为“阿贝尔屏障”。“阿贝尔屏障”意味着通过可见波段的激光束造型,其极限精度是300nm。想要观察尺寸更小的物体,通常只能用电子显微镜代替光学显微镜。电子也具有波动性,它的波长远远小于可见光,因此提高了分辨率。但与光学显微镜相比,电子显微镜存在着许多局限,比如需要高真空,无法用于观察活体生物样品。因此,科学家们仍然寄希望于突破阿贝极限,提高光学显微镜的分辨率。

顾敏教授介绍,2014年诺贝尔化学奖的三位得主正是通过巧妙的设计,成功使得一类非常重要的光学显微镜——荧光显微镜的分辨率突破了300nm的阿贝极限。其中一位科学家Stefan W. Hell发明的是STED(受激发射损耗,stimulated emission depletion)荧光成像技术。在这项技术中,一束激发光脉冲激发出0.2μm区域内的所有荧光分子,而另一束甜甜圈形状的激光能将其照射区域的所有分子的荧光消除,从而只保留中心位置分子的荧光。通过扫描样品,能实现对整个样品的成像。

顾敏教授团队首次在聚合物材料中实现了包括空域、时域、偏振等的五维光存储,首次利用双光束超分辨原理突破聚合物中的光学衍射极限,获得9nm特征尺寸的世界纪录,使一张普通光碟的储存具有Terabytes甚至Petabytes以上的存储能力。

顾敏教授同时提到了工业4.0、激光制造和人工智能的交叉应用。神经网络最早由心理学家Mcculloch与数学家Pitts共同提出,他们总结了生物神经元的特征并提出了形式神经元的数学描述与结构方法。神经形态计算也被称为脉冲神经网络,是一种模拟神经生物过程的新型计算模式。它通过构建类似人类大脑结构的计算架构来大幅提高计算机的思维能力与反应能力。最开始的研究者发现大脑在接受信息后并没有激活全部神经元,而是将一系列脉冲信号沿着突触传播,传播信息很有可能编码在这一系列脉冲的振幅、频率或延迟中。受此启发,人们开始研究神经形态计算并将其视为通往人工智能的又一通道。传统的芯片在每一次传输中都会保持特定电压。当遇到在今天的机器学习任务中被使用的复杂算法和架构的时候,散热就成了芯片行业中最大的挑战,而神经形态芯片因为它的类生物本质只需要一个低水平能耗。人脑非常节能的一个原因就是,神经冲动在传递的过程中只会放掉一小部分的电量。只有当积累的电量超过一个设定的界限时,信号才会通过。这意味着神经形态芯片是事件驱动的,并且只有在需要的时候才会运作,这就导致了一个更好的运行环境以及更低的能耗。

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顾敏教授介绍了纳米3D打印技术。他的团队通过材料的化学反应,突破了阿贝定律的限制。一束脉冲激光划出一条线,旁边另外一束连续激光则像橡皮一样把线条外围部分擦去,让线条纤细程度满足要求。纳米3D打印不仅可用于芯片制造,他还提到了当前正在推动的两个产业化方向:光存储及超级电容器。

顾敏教授指出,将新技术用于光存储,将诞生存储海量内容的“超级碟片”。目前看高清电影的蓝光碟,里面每个记录点大约是200nm,而新技术可以做到9nm。这意味着用新技术制作的一张碟片,可以存储一万张蓝光碟的内容。他表示将新技术用于储存海量数据的大数据中心,可以显著降低存储耗能、节约空间,进而节省成本。同时,将新技术用于电容器,则可催生出续航里程超长的电动汽车。电容器和电池功能类似,而且充电速度远远快于电池。当今,电动汽车之所以用电池,是因为电容器能量密度低,还达不到汽车行驶里程的要求。储能原理是让电极里有足够多的小洞,让电子来了有地方呆着,“采用新技术,可以在电容器电极里打出更多储能‘小洞’。”他表示,这意味着充一次电可以让汽车在全国开一圈(2000公里)。

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在互动环节中,听众就自己关心的问题和顾敏教授进行了交流。大师讲坛组委会向顾敏教授赠送了交大铜盘作为纪念品,以表达交大学子对他到访由衷的感谢和诚挚的祝福。他也应邀留下大师手印,并与大师讲坛组委会成员合影留念。

【嘉宾简介】

顾敏,澳大利亚科学院院士、澳大利亚技术科学与工程院院士、中国工程院外籍院士,现担任皇家墨尔本理工大学副校长。他于1982年毕业于上海交通大学应用物理系并获得学士学位,1988年毕业于中国科学院上海光学精密机械研究所并获得博士学位,1995年进入维多利亚大学任教,2000年赴斯威本科技大学创立微光子学中心并担任中心首任主任,2003年出任澳大利亚研究委员会卓越中心分部主任,2005年,出任澳大利亚聚合物合作研究中心分部主任,2006年当选澳大利亚技术科学与工程院院士,2007年入选中国教育部“长江学者”讲席教授并同年当选澳大利亚科学院院士,2008年入选中组部“千人计划”特聘专家,2016年出任皇家墨尔本理工大学副校长,2017年当选中国工程院外籍院士。

顾敏教授是纳米光子学、纳米制造和生物光子学等领域的国际知名专家,被公认为三维光学成像理论的权威和先驱者之一。他出版了四本标准参考书籍,其中,两本为唯一作者,两本为第一作者。顾敏教授是16家国际顶级期刊编委会成员, 在国际期刊上发表论文480多篇,包括《Nature》、《Science》、《Nature Photonics》、《Nature Communications》等顶级刊物。他的研究成果已经在太阳能、信息技术和大数据储存等领域产生了重大影响。

【背景介绍】

增材制造(Additive manufacturing),俗称3D打印,是一种通过3D建模,对材料进行层层堆砌来直接造型的制造工艺。激光,能在这一工艺中得到有效应用。在激光增材制造的过程中,关键的限制因素是激光的特征尺寸,这一尺寸由阿贝定理决定,被称为“阿贝屏障”。

“阿贝屏障”意味着通过可见波段的激光束造型,其极限精度是300nm。而在最近的纳米光刻技术研究中,这一屏障已经被打破。在一种聚合物材料中,通过高数值透镜聚焦的激光束,其特征尺寸可达到9nm。这一突破有可能使一张普通光碟的储存容量达到 “拍字节(2^50 bytes)”,促进绿色数据中心的发展。它还将诸如极高能量密度的电容、纳米尺度有机光电元件、纳米尺度微芯片反应器、人工神经网络和仿生系统等领域带入新篇章。