三維空間的造夢師

徐強

一場網球賽事中，當運動員對裁判的判罰產生疑義的時候，裁判員該如何有理有據的進行公正的裁判？一項叫做“鷹眼”的技術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球的飛行軌跡，通過電腦計算將數據生成三維圖像，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網球大滿貫賽中闖入四分之一決賽的網球愛好者，本文的主人公曾經的倫敦大學學院（UCL）博士和博士后，現同濟大學研究員陳波博士對于三維成像技術是再熟悉不過了。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發(fā)展和應用等方面的研究。以三維成像為研究課題，陳波博士正在用他的所學為人們展現納米三維世界的真實與美妙。

打開三維空間的大門

陳波，獲英國倫敦大學學院理學博士，然后在倫敦大學學院從事博士后研究工作，后任英國倫敦大學學院，倫敦納米技術中心訪問講師，現任同濟大學研究員。在其本科和碩士研究生學習期間，陳波就一直從事材料化學和X射線衍射相關研究。在此之后，于2008年獲得英國極少數備受尊重的“Dorothy Hodgkin Postgraduate Award”獎學金至倫敦大學學院（University College London/UCL）攻讀博士學位，在英國留學期間，陳波長期從事設計、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。

在英國攻讀博士學位和工作期間，陳波參與了三個英國工程和物理科學研究理事會（EPSRC）、英國生物技術與生物科學研究理事會（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）成像技術和電子顯微鏡三維成像技術系統地定量地研究了三類涂層材料的三維結構，并提出了不同性質（涂層）物質的三維空間結構研究路線和基于物質真實三維結構的材料性能模擬方法。其博士論文最終獲得英國倫敦大學學院（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真實三維結構的（材料）性能模擬方法以及不同性質涂層物質的三維結構研究路線，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在研究凝聚態(tài)物質三維結構和性能上的應用。陳波博士還深度參與并開發(fā)了基于同步輻射相干X射線的調制成像技術；這是一種全新的X射線（單次）成像技術，可以將其發(fā)展成新的三維X射線成像技術用以測試物質三維結構。由于其單次成像特性，陳波博士相信此相干X射線調制成像技術（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，并用以研究物質動態(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（PXCT）的應用。掃描相干X射線衍射計算機斷層成像技術是一種新型的X射線三維相稱成像技術，該技術可以同時測試物質三維形貌結構和電子密度，進而實現物質三維化學成分分布測試；陳波博士帶領和組織所在課題組，已于2014-2015年在英國寶石光源I13實驗線站成功獨立實現了該技術。掃描相干X射線衍射計算機斷層成像技術仍在不斷發(fā)展，現已被瑞士光源科研人員成功應用到新型計算機中央處理器（CPU）重復單元的三維結構測試中。

功夫不負有心人，經過陳波博士不懈努力的探索與研究，他為三維成像領域做出了貢獻，推動力三維成像技術的發(fā)展，同時也為自己打開了三維成像領域的大門。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”此類應用現在還極其少見，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、物理學、光學、納米科學及地球科學等等領域文章引用亦證明了以上評論。此外，陳波還應世界知名大學和研究結構如英國的劍橋大學，謝菲爾德大學，美國阿貢國家實驗室及中國的同濟大學的邀請進行講座。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域做出更多的貢獻。

展現精彩三維世界

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，作為一名同濟大學的畢業(yè)生，陳波博士在留學期間就曾多次回歸母校召開講座。結束了在英國的學習和研究工作后，陳波博士回到了同濟大學，繼續(xù)他在三維成像領域的研究，為母校，為國家展現精彩的真實三維納米世界。

回國后，陳波研究員在同濟大學材料科學與工程學院建設了增設能譜（EDS）功能的（切片式）三維掃描電子顯微鏡（SBFSEM）實驗室。此設備為當前國內和國際首臺可以同時用于分析凝聚態(tài)物質三維結構和化學成分分布的掃描電子顯微鏡。陳波博士正在與三家相關儀器研發(fā)生產單位一同進一步調試并發(fā)展該儀器的三維化學成分測試功能，而該功能是現階段該技術改進發(fā)展的一個關鍵步驟。

基于博士后期間運用電子束和（同步輻射）X射線三維成像技術對人類細胞核及染色體結構進行研究及分析，陳波博士帶領自己的團隊，以同濟大學為學術依托繼續(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（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）的三維結構，發(fā)現大部分人類染色體的真實三維形態(tài)并非傳統所認識的“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構（及其后續(xù)研究）將有助于解決基因組織和結構問題引起的相關疾病，對未來基因疾病研究及治療是一個重要貢獻。

現在，陳波研究員亦為同濟大學材料科學與工程學院2017級博士班班主任，也是2017級本科生導師。他希望他能夠為三維成像領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，讓更多的人能夠和他一起致力于三維成像技術和物質真實三維結構的研究，展現精彩的三維納米世界。endprint