让离子为人类发展服务——记兰州大学核科学与技术学院张红强教授

让离子为人类发展服务
——记兰州大学核科学与技术学院张红强教授

本刊记者 张春壮

张红强(右二）和团队成员在实验楼前合影留念

大千世界，充斥着无数肉眼看不到、双手摸不着的神秘元素，它们无时无刻不影响和改善着我们每个人的生活。对纳米结构的研究正是基于为人类提供一个可以深入地揭示这些微观元素本质的方法而开展的。近年来，以纳米微孔膜为代表的纳米微结构在工业、微生物、医药、物理等多领域广泛应用。在基础物理学领域，离子与微纳米材料的相互作用，是离子束物理的前沿课题之一。

“离子束斑在穿越不同形状截面的微孔时，会产生相异的几何形状”，兰州大学核科学与技术学院张红强教授发现，在离子穿越菱形微孔之后，束斑被规整为矩形，反之，矩形的微孔使得穿越的离子束规整为菱形。

这一发现为纳米微结构作为荷电离子无场可控操作元件提供了另外一个功能，那就是利用离子穿越微孔结构的导向效应不仅能够实现聚焦、偏转离子之外，还可以对离子束进行几何成型。这个新方向的为高电荷态离子束无场光学元件的传输提供了新的视角，张红强及其团队进而得到国家科学自然基金项目“纳米微结构作为荷电粒子束传输原件的研究”的支持。

积淀 结缘离子十余年

2002年，张红强于兰州大学物理科学与技术学院本科毕业，紧接着又在母校核科学与技术学院开始了硕博连读生涯，“开始真正与离子打起了交道”。

4年时间内，张红强跟随导师参与了大量的实验研究，在离子与表面互作用方面积累了广泛的实际经验和专业知识，尤其是高电荷态离子与表面相互作用的离子中和过程、镜像电荷加速、离子在表面的散射过程、离子中和过程中的x射线的发射、固体原子的电离激发导致的内壳层x射线的发射课题上，建立了完善的知识体系，为其今后离子束相关层面的研究奠定了坚实根基。

站在学科国际前沿，方可让自己具备独到的学术眼光。在兰大历经8年学习研究后，张红强于2006年踏上了瑞典留学的征途。在斯德哥尔摩大学物理系原子物理部博士毕业后，他又做了一段时间的项目研究助理。在此期间，张红强跟随导师主要从事“高电荷态离子与绝缘体微孔膜相互作用”的研究课题，参与负责高电荷态离子与SiO2,Al2O3, PET,云母微孔膜的相互作用以及离子穿越玻璃毛细管的出射离子的角分布和能量分布的测量项目。在科研的舞台上逐渐拉开了“离子与纳米微结构的相互作用研究”的序幕。

在实验平台的构建工作中，他主要负责设计了用于测量离子单电荷携带能量的127度静电分析器及其获取系统，搭建了基于两种类型-延迟线和电阻膜阳极的二维探测器系统。通过参与玻璃毛细管制作过程在离子与云母表面碰撞导致的纳米结构形成，以及重离子轰击云母后的蚀刻实验以制备云母微孔膜上，他建立了一套完整的实验流程。

2008年，通过大量实验反复推演验证，他发展了一个基于经验的模型势的理论（PHYSICAL REVIEW A 82, 052901(2010)），成功解释了时间演化的出射离子角分布所对应的电荷沉积，为离子与微孔膜的相互作用中实验观测到的出射离子角分布的时间演化过程给予了量化的解释。与此同时，他在高电荷态离子与纳米微孔膜相互作用研究这个领域内也开始得到同行的认可。迄今为止，在对于时间演化的出射离子角分布研究方面，这个模型理论仍作为目前仅有的几个理论结果之一而备受关注。

张红强与团队成员在一起

多年来，东西方文化在他身上相遇，已经不再是形式的混体，而是精神层面的融合。张红强的科研理念里，具备了中国智慧的通达，也兼容了西方思想的严密逻辑。由此，他对科研工作有了更深层次的认识，同时对科学研究也更加热爱。

叶落归根，同样，张红强作为一个传统教育观念下的中国人，在外数年虽载誉满身，可终究抵不过内心深处对桑梓地的无限眷恋。2011年，他结束瑞典期间的学习工作后，毅然回归兰州大学核科学与技术学院——这个他科研之路开始的地方。

回归兰大后，张红强保持固有的科研理念——即实验又要创新，带领学生踏上了科研创新的征途。

创新 观测纳米微孔与离子束斑成型效应

近年来，高电荷态离子与绝缘体微孔膜之间相互作用时出现的导向效应，让人们得以观测到在大于微孔的纵横比所决定的角度下高电荷态离子仍然可以穿越这一现象，并且发现出射离子角分布的中心在纳米微孔的轴向所对应的方向附近，绝大多数穿越的离子仍然可以保持其初始的电荷态和动能。此外，以单分子层的碳化合物膜为代表的纳米微结构材料的发现，也使离子与固体相互作用领域走向一个新的发展方向。

“离子与纳米微结构间相互作用的时间很短，在入射离子能量为keV范围的时候，相互作用时间仅为1-4fs,离子穿越这种材料后其电荷态还处于不平衡状态”，张红强认为，“这能够为科研人员提供一个入射离子依赖于初始电荷态的预前平衡态能量损失的观测平台”。

随着大量新型纳米微结构材料迅速涌现，粒子与物质相互作用领域迎来新的发展契机。通过荷电粒子与纳米微孔的相互作用中的导向效应，可以对出射离子角分布的时间演化来测量沉积电荷，张红强认为，“相比于传统的荷电粒子束需要外接电场或者磁场来控制，使用绝缘体微孔，人们可以在无外接场的情况下操控束流”。因此，微结构材料成为了传输荷电粒子束流的光学元件。

目前，国内外实验室中在采用单个入口为亚毫米量级而出口为微米到几百个纳米的玻璃毛细管作为离子束操控的工具，来进行高电荷态离子、分子和离子等通过纳米微结构的离子束流传输实验时，多采用圆形的微孔截面，呈现出的出射离子的角分布几何形状仅与微孔的倾角和张角有关。为探寻出射离子角分布的其它形状，借助兰州大学核科学与技术学院粒子束物理实验室新搭建的粒子与表面相互作用平台，张红强带领团队正在制备并采用新的微结构材料作为离子束的研究对象。

过去实验过程中，张红强等人发现一个有趣的现象：当离子穿越菱形微孔之后，束斑被规整为矩形。反之，当离子束穿越矩形微孔时被规整为菱形。他在高电荷态Ne7+离子与尺寸为几百纳米的菱形和矩形微孔的相互作用的研究中，解释了这种几何成型效应。即由于离子穿越微孔时在其内部会诱发镜像电荷，从而产生一个指向内壁的镜像力，这个力加在离子束的横向，从而使其产生散焦作用。离子束在传输过程中，由于微孔的几何构造，大于特定角度的离子将被微孔内壁阻止而不能穿越，从而使得穿越的角分布呈现规则的几何结构。根据这项研究得到的结论来看，纳米微孔结构不仅可以用以实现离子聚焦、偏转，还可以根据微孔形状进行几何成型。

后续的实验取得了可喜的阶段性成果，基于已经得到的实验结果，他仍在思考“如何寻找合适的微结构来操控离子束”。在接下来的实验研究中，他会继续带领团队利用高电荷态离子，通过二维位置灵敏探测系统来研究其通过特殊制备的微结构的出射离子的角分布和电荷态分布，以探索更合适的离子束成型的传输元件。同时，在高电荷态离子穿越矩形截面微孔云母膜后出射离子的能量分布的测量方面，他们将采用127度静电分析器来准确探测离子在表面的镜像电荷加速机制以及离子束角发散和能量发散对其穿过微孔膜之后形成几何形状的相互关系。

在纳米材料使用日益广泛的今天，荷电粒子束与纳米微孔膜、单纳米微孔、玻璃毛细管以及单原子层固体材料等纳米微结构间的物理作用机制，为当今各种纳米材料的研制及纳米技术的发展应用带来的新的研究视角，也为促进医药行业、金属产品制造、蓄电池产业等的快速发展起到推动作用。这也实现了张红强一直以来的理想，让环绕在人类周围的离子“真正为人类持续健康发展服务”。