科学大厦是如何落成的？（三）科研设备和材料

08月

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上期讲到如何选择导师，正所谓“巧妇难为无米之炊”，设备和材料也是建设大厦中必不可少的一部分。设备能够大大降低成本、提高效率，设备的优劣将决定工程的进展快慢和工程质量。而材料诸如砖瓦、泥沙、水泥、钢筋等则有机组成了大厦的里子和面子。

科研设备和材料——有米之炊

步入信息时代的当今社会，科研实验不再是像伽利略那样从斜塔上往下扔两个铁球那么简单易行了，从事前沿科研工作，需要获得精确的实验数据，先进的科研设备是必不可少的。对于早期经典力学的实验研究来说，采用秒表计时精确到0.1秒已经足够了，而对于现代卫星定位、光学测距等高精设备，则需要采用现代原子钟计时，才能精确到每100万年误差1秒，两者之间相差1012量级。

现代科研设备已经走向集成化、自动化、商业化、精密化、大型化。我们已经很少用纸笔记录仪表盘上一个个刻度了，更多的是电子仪器集成由电脑控制，直接读取存入电脑。许多仪器已经有了商业开发，只需要付出经费就可以买到满足基本科研需要的仪器，而且这些仪器操作也更为简单便捷。

为了某些特殊的科研需要，很多时候也必须自主搭建仪器，这个过程其实更多的也只是将商业零件进行匹配和组合而已。现代科学研究中的设备一方面是走向精密化，另一方面是走向大型化。

在现代基础科学领域，大型科学装置比如太空望远镜、各种大型粒子加速器和对撞机、同步辐射光源、散裂和反应堆中子源等，对物质科学和工业应用起到了极大的推动作用。例如欧洲大型强子加速器LHC其圆形加速隧道就达到了27公里，几个靶站探测器更是大得惊人，如此庞大的仪器主要目的之一就是试图发现“上帝粒子”（希格斯玻色子），解释微观粒子的质量起源，这需要积累海量（亿兆比特以上）的实验数据并从中发现少量的实例证据。

我国的上海光源、中国先进研究堆中子源、兰州重离子加速器、合肥全超导托克马克核聚变装置等大型科学装置的顺利建成，也为基础科研、工业检测和能源环境等研究提供了重要的科学平台。

罗会仟在日本散裂中子源

是不是只有实验研究才需要大型仪器呢？其实现代理论研究因为需要处理庞大且复杂的科学问题，其计算量已经非常巨大，早不是用纸笔写写画画或者用算盘计算器就能快速完成的事情了。我国先后研制了“银河”“曙光”“天河”等系列超级计算机群，正是为了应对现代科研中越来越复杂的科学计算，为国防建设和社会发展服务。

如今世界上运行最快的计算机在美国橡树岭国家实验室，叫做“泰坦”（Titan，希腊神话中的巨人），这家伙大如篮球场，每秒可进行20千万亿次浮点运算，是普通PC机的20万亿倍。未来社会将可能研制出更为快速并高度集成的量子计算机，让信息时代从高速公路迅速提升至火箭航天阶段，给社会带来翻天覆地的变化。

对于实验研究，制备出实验样品是万里长征的第一步。而这些实验样品就来自于各种化学试剂、原料、耗材等，而在测量样品性质的时候，还将用到维持仪器运转和保障实验过程的材料，如低温液体、润滑剂、各种一次性零部件等等。哪怕是纯理论的研究，也是需要用到计算机、办公耗材等材料。正是这些材料构造出了科研大厦的一砖一瓦一草一木，如果说设备是厨房的锅碗瓢盆，那么材料就是柴米油盐菜等，两者缺一不可。

现代科研对材料的要求也是比较苛刻的，也许你很难想象科研实验中用的铝会比金还贵，其实原因很简单，因为铝的纯度非常之高，比如99.99999%以上的铝才能用于一些薄膜器件的制备。许多科研实验还需要在极端条件下开展，如在超高真空中才能保证电子在运动中不容易被散射，在非常接近绝对零度的极低温下原子热振动才足够低而能观测到某些极端的量子效应，在数百万甚至更高大气压下才有可能把氢原子压在一起形成金属氢，这些极端条件的实现都离不开精巧的设备和大量的材料消耗。

科研实验还是一种探索过程，失败是不可避免的，而可重复性也是必要的。爱迪生为了发明电灯，尝试了数千种材料，最终才发现碳化纤维能够经受较长时间的发光发热。当然，科研不仅消耗材料，也不断发现新的材料为人们所用。现代照明等已经从钨丝为主的白炽灯到荧光灯，再到发光二极管（LED）的节能灯，其中最主要的推动就是材料的革新。

本文来自罗会仟科学网博客