三維空間的造夢師

徐強

一場網(wǎng)球賽事中，當(dāng)運動員對裁判的判罰產(chǎn)生疑義的時候，裁判員該如何有理有據(jù)的進行公正的裁判？一項叫做“鷹眼”的技術(shù)解決了裁判員們的困惑。“鷹眼”利用高速攝像頭從不同角度捕捉網(wǎng)球的飛行軌跡，通過電腦計算將數(shù)據(jù)生成三維圖像，這樣可以更加直觀的看到球的落點，進行公正的裁判。作為一名曾在倫敦大學(xué)網(wǎng)球大滿貫賽中闖入四分之一決賽的網(wǎng)球愛好者，本文的主人公曾經(jīng)的倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）博士和博士后，現(xiàn)同濟大學(xué)研究員陳波博士對于三維成像技術(shù)是再熟悉不過了。陳波博士近十年來一直從事同步輻射X射線和電子顯微鏡的納米級三維成像技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用等方面的研究。以三維成像為研究課題，陳波博士正在用他的所學(xué)為人們展現(xiàn)納米三維世界的真實與美妙。

打開三維空間的大門

陳波，獲英國倫敦大學(xué)學(xué)院理學(xué)博士，然后在倫敦大學(xué)學(xué)院從事博士后研究工作，后任英國倫敦大學(xué)學(xué)院，倫敦納米技術(shù)中心訪問講師，現(xiàn)任同濟大學(xué)研究員。在其本科和碩士研究生學(xué)習(xí)期間，陳波就一直從事材料化學(xué)和X射線衍射相關(guān)研究。在此之后，于2008年獲得英國極少數(shù)備受尊重的“Dorothy Hodgkin Postgraduate Award”獎學(xué)金至倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London/UCL）攻讀博士學(xué)位，在英國留學(xué)期間，陳波長期從事設(shè)計、發(fā)展并參與眾多同步輻射X射線（三維）成像實驗，在英國打開了三維納米世界的大門。

在英國攻讀博士學(xué)位和工作期間，陳波參與了三個英國工程和物理科學(xué)研究理事會（EPSRC）、英國生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會（BBSRC）和歐洲研究理事會（ERC）的重大項目，每個項目規(guī)模都在200萬英鎊（1千8百萬人民幣）左右。陳波在其博士論文中使用最新發(fā)展的（包括其參與發(fā)展的）同步輻射X射線（三維）成像技術(shù)和電子顯微鏡三維成像技術(shù)系統(tǒng)地定量地研究了三類涂層材料的三維結(jié)構(gòu)，并提出了不同性質(zhì)（涂層）物質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)研究路線和基于物質(zhì)真實三維結(jié)構(gòu)的材料性能模擬方法。其博士論文最終獲得英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）優(yōu)秀博士論文獎。項目研究過程中，陳波博士提出的基于物質(zhì)真實三維結(jié)構(gòu)的（材料）性能模擬方法以及不同性質(zhì)涂層物質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)研究路線，有利地發(fā)展了基于同步輻射X射線和電子顯微鏡的三維成像技術(shù)在研究凝聚態(tài)物質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和性能上的應(yīng)用。陳波博士還深度參與并開發(fā)了基于同步輻射相干X射線的調(diào)制成像技術(shù)；這是一種全新的X射線（單次）成像技術(shù)，可以將其發(fā)展成新的三維X射線成像技術(shù)用以測試物質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。由于其單次成像特性，陳波博士相信此相干X射線調(diào)制成像技術(shù)（CMI）可以發(fā)展成為一種有效的用于最新一代光源--X射線自由電子激光（XFEL）的相干X射線成像技術(shù)，并用以研究物質(zhì)動態(tài)過程。

在通過與瑞士光源cSAXS實驗線站科研人員緊密合作的過程中，陳波博士發(fā)展并推動了掃描相干X射線衍射計算機斷層成像技術(shù)（PXCT）的應(yīng)用。掃描相干X射線衍射計算機斷層成像技術(shù)是一種新型的X射線三維相稱成像技術(shù)，該技術(shù)可以同時測試物質(zhì)三維形貌結(jié)構(gòu)和電子密度，進而實現(xiàn)物質(zhì)三維化學(xué)成分分布測試；陳波博士帶領(lǐng)和組織所在課題組，已于2014-2015年在英國寶石光源I13實驗線站成功獨立實現(xiàn)了該技術(shù)。掃描相干X射線衍射計算機斷層成像技術(shù)仍在不斷發(fā)展，現(xiàn)已被瑞士光源科研人員成功應(yīng)用到新型計算機中央處理器（CPU）重復(fù)單元的三維結(jié)構(gòu)測試中。

功夫不負有心人，經(jīng)過陳波博士不懈努力的探索與研究，他為三維成像領(lǐng)域做出了貢獻，推動力三維成像技術(shù)的發(fā)展，同時也為自己打開了三維成像領(lǐng)域的大門。陳波博士已在Nature Communications、Science Advances和IUCrJ等等國際知名期刊上發(fā)表論文20余篇。2013年發(fā)表在Scientific Reports （自然系列雜志） 上的第一作者文章被SCI（E）期刊論文廣泛引用，其中2014年發(fā)表在Materials Todays（17卷404-410頁）上的文章引用此工作時稱”此類應(yīng)用現(xiàn)在還極其少見，但其前景非常廣闊（... applications of this method in materials science are rare but promising）“；而此篇論文自發(fā)表以來已被來自材料學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、納米科學(xué)及地球科學(xué)等等領(lǐng)域文章引用亦證明了以上評論。此外，陳波還應(yīng)世界知名大學(xué)和研究結(jié)構(gòu)如英國的劍橋大學(xué)，謝菲爾德大學(xué)，美國阿貢國家實驗室及中國的同濟大學(xué)的邀請進行講座。星星之火可以燎原，陳波博士用自己的力量帶動更多的人為三維成像領(lǐng)域做出更多的貢獻。

展現(xiàn)精彩三維世界

在英國深造期間，陳波博士獲得了巨大的成就。然而，他一直心系母校，作為一名同濟大學(xué)的畢業(yè)生，陳波博士在留學(xué)期間就曾多次回歸母校召開講座。結(jié)束了在英國的學(xué)習(xí)和研究工作后，陳波博士回到了同濟大學(xué)，繼續(xù)他在三維成像領(lǐng)域的研究，為母校，為國家展現(xiàn)精彩的真實三維納米世界。

回國后，陳波研究員在同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院建設(shè)了增設(shè)能譜（EDS）功能的（切片式）三維掃描電子顯微鏡（SBFSEM）實驗室。此設(shè)備為當(dāng)前國內(nèi)和國際首臺可以同時用于分析凝聚態(tài)物質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分分布的掃描電子顯微鏡。陳波博士正在與三家相關(guān)儀器研發(fā)生產(chǎn)單位一同進一步調(diào)試并發(fā)展該儀器的三維化學(xué)成分測試功能，而該功能是現(xiàn)階段該技術(shù)改進發(fā)展的一個關(guān)鍵步驟。

基于博士后期間運用電子束和（同步輻射）X射線三維成像技術(shù)對人類細胞核及染色體結(jié)構(gòu)進行研究及分析，陳波博士帶領(lǐng)自己的團隊，以同濟大學(xué)為學(xué)術(shù)依托繼續(xù)染色體三維成像的研究。2017年7月，其研究成果發(fā)表在Science Advances上，該雜志為科學(xué)（Science）系列雜志。該文章中，陳波研究員課題組利用（切片式）三維掃描電子顯微鏡（SBFSEM）揭示了人類染色體（組）的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)大部分人類染色體的真實三維形態(tài)并非傳統(tǒng)所認識的“X”形狀，而是“S”形或者“C”形，同時還測試出了人類染色體堿基對的體積；文章中所揭示的人類染色體三維結(jié)構(gòu)（及其后續(xù)研究）將有助于解決基因組織和結(jié)構(gòu)問題引起的相關(guān)疾病，對未來基因疾病研究及治療是一個重要貢獻。

現(xiàn)在，陳波研究員亦為同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2017級博士班班主任，也是2017級本科生導(dǎo)師。他希望他能夠為三維成像領(lǐng)域做的不僅僅是一次又一次的突破性研究，畢竟一個人或者一個團隊的力量是有限的。他希望通過知識的傳播，讓更多的人了解三維成像技術(shù)，讓更多的人能夠和他一起致力于三維成像技術(shù)和物質(zhì)真實三維結(jié)構(gòu)的研究，展現(xiàn)精彩的三維納米世界。endprint