三维空间的造梦师

徐强

一场网球赛事中，当运动员对裁判的判罚产生疑义的时候，裁判员该如何有理有据的进行公正的裁判？一项叫做“鹰眼”的技术解决了裁判员们的困惑。“鹰眼”利用高速摄像头从不同角度捕捉网球的飞行轨迹，通过电脑计算将数据生成三维图像，这样可以更加直观的看到球的落点，进行公正的裁判。作为一名曾在伦敦大学网球大满贯赛中闯入四分之一决赛的网球爱好者，本文的主人公曾经的伦敦大学学院（UCL）博士和博士后，现同济大学研究员陈波博士对于三维成像技术是再熟悉不过了。陈波博士近十年来一直从事同步辐射X射线和电子显微镜的纳米级三维成像技术发展和应用等方面的研究。以三维成像为研究课题，陈波博士正在用他的所学为人们展现纳米三维世界的真实与美妙。

打开三维空间的大门

陈波，获英国伦敦大学学院理学博士，然后在伦敦大学学院从事博士后研究工作，后任英国伦敦大学学院，伦敦纳米技术中心访问讲师，现任同济大学研究员。在其本科和硕士研究生学习期间，陈波就一直从事材料化学和X射线衍射相关研究。在此之后，于2008年获得英国极少数备受尊重的“Dorothy Hodgkin Postgraduate Award”奖学金至伦敦大学学院（University College London/UCL）攻读博士学位，在英国留学期间，陈波长期从事设计、发展并参与众多同步辐射X射线（三维）成像实验，在英国打开了三维纳米世界的大门。

在英国攻读博士学位和工作期间，陈波参与了三个英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC）、英国生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）和欧洲研究理事会（ERC）的重大项目，每个项目规模都在200万英镑（1千8百万人民币）左右。陈波在其博士论文中使用最新发展的（包括其参与发展的）同步辐射X射线（三维）成像技术和电子显微镜三维成像技术系统地定量地研究了三类涂层材料的三维结构，并提出了不同性质（涂层）物质的三维空间结构研究路线和基于物质真实三维结构的材料性能模拟方法。其博士论文最终获得英国伦敦大学学院（UCL）优秀博士论文奖。项目研究过程中，陈波博士提出的基于物质真实三维结构的（材料）性能模拟方法以及不同性质涂层物质的三维结构研究路线，有利地发展了基于同步辐射X射线和电子显微镜的三维成像技术在研究凝聚态物质三维结构和性能上的应用。陈波博士还深度参与并开发了基于同步辐射相干X射线的调制成像技术；这是一种全新的X射线（单次）成像技术，可以将其发展成新的三维X射线成像技术用以测试物质三维结构。由于其单次成像特性，陈波博士相信此相干X射线调制成像技术（CMI）可以发展成为一种有效的用于最新一代光源--X射线自由电子激光（XFEL）的相干X射线成像技术，并用以研究物质动态过程。

在通过与瑞士光源cSAXS实验线站科研人员紧密合作的过程中，陈波博士发展并推动了扫描相干X射线衍射计算机断层成像技术（PXCT）的应用。扫描相干X射线衍射计算机断层成像技术是一种新型的X射线三维相称成像技术，该技术可以同时测试物质三维形貌结构和电子密度，进而实现物质三维化学成分分布测试；陈波博士带领和组织所在课题组，已于2014-2015年在英国宝石光源I13实验线站成功独立实现了该技术。扫描相干X射线衍射计算机断层成像技术仍在不断发展，现已被瑞士光源科研人员成功应用到新型计算机中央处理器（CPU）重复单元的三维结构测试中。

功夫不负有心人，经过陈波博士不懈努力的探索与研究，他为三维成像领域做出了贡献，推动力三维成像技术的发展，同时也为自己打开了三维成像领域的大门。陈波博士已在Nature Communications、Science Advances和IUCrJ等等国际知名期刊上发表论文20余篇。2013年发表在Scientific Reports （自然系列杂志） 上的第一作者文章被SCI（E）期刊论文广泛引用，其中2014年发表在Materials Todays（17卷404-410页）上的文章引用此工作时称”此类应用现在还极其少见，但其前景非常广阔（... applications of this method in materials science are rare but promising）“；而此篇论文自发表以来已被来自材料学、物理学、光学、纳米科学及地球科学等等领域文章引用亦证明了以上评论。此外，陈波还应世界知名大学和研究结构如英国的剑桥大学，谢菲尔德大学，美国阿贡国家实验室及中国的同济大学的邀请进行讲座。星星之火可以燎原，陈波博士用自己的力量带动更多的人为三维成像领域做出更多的贡献。

展现精彩三维世界

在英国深造期间，陈波博士获得了巨大的成就。然而，他一直心系母校，作为一名同济大学的毕业生，陈波博士在留学期间就曾多次回归母校召开讲座。结束了在英国的学习和研究工作后，陈波博士回到了同济大学，继续他在三维成像领域的研究，为母校，为国家展现精彩的真实三维纳米世界。

回国后，陈波研究员在同济大学材料科学与工程学院建设了增设能谱（EDS）功能的（切片式）三维扫描电子显微镜（SBFSEM）实验室。此设备为当前国内和国际首台可以同时用于分析凝聚态物质三维结构和化学成分分布的扫描电子显微镜。陈波博士正在与三家相关仪器研发生产单位一同进一步调试并发展该仪器的三维化学成分测试功能，而该功能是现阶段该技术改进发展的一个关键步骤。

基于博士后期间运用电子束和（同步辐射）X射线三维成像技术对人类细胞核及染色体结构进行研究及分析，陈波博士带领自己的团队，以同济大学为学术依托继续染色体三维成像的研究。2017年7月，其研究成果发表在Science Advances上，该杂志为科学（Science）系列杂志。该文章中，陈波研究员课题组利用（切片式）三维扫描电子显微镜（SBFSEM）揭示了人类染色体（组）的三维结构，发现大部分人类染色体的真实三维形态并非传统所认识的“X”形状，而是“S”形或者“C”形，同时还测试出了人类染色体碱基对的体积；文章中所揭示的人类染色体三维结构（及其后续研究）将有助于解决基因组织和结构问题引起的相关疾病，对未来基因疾病研究及治疗是一个重要贡献。

现在，陈波研究员亦为同济大学材料科学与工程学院2017级博士班班主任，也是2017级本科生导师。他希望他能够为三维成像领域做的不仅仅是一次又一次的突破性研究，毕竟一个人或者一个团队的力量是有限的。他希望通过知识的传播，让更多的人了解三维成像技术，让更多的人能夠和他一起致力于三维成像技术和物质真实三维结构的研究，展现精彩的三维纳米世界。endprint