工欲善其事，必先利其器。從深空探測的星際遙望到微觀世界的原子探秘，從生物醫藥的精準檢測到新材料的研發突破，每一項重大科技成果的背後，都離不開科學儀器這個“先行者”與“鋪路石”的堅實支撐。如今，一代代中國科研人以“實幹見物”的堅守，正書寫着屬于這個時代的“新天工開物”，推動我國科學儀器從跟跑、并跑到部分領跑的跨越式發展。
近日，一場中國科學儀器的“巅峰成果秀”在國家科技傳播中心拉開帷幕。由中國儀器儀表學會推薦的3項重大創新成果集中亮相，既展現了我國高端科學儀器的硬核實力，更勾勒出自主創新的奮進軌迹。
“我國科學儀器産業從零基礎起步，曆經跟蹤模仿的艱辛，如今部分高端儀器已實現與國際并跑，個别領域甚至達成領跑。”中國科學院院士、發展中國家科學院院士高鴻鈞感慨道，“近年來，我們與國際頂尖水平的差距不斷縮小，這份追趕速度足以令人振奮。”
一、太空生命科學儀器：築就空間生命研究的“中國空間站”
我國空間站問天實驗艙内，水稻完成從種子到抽穗的生長周期，觀賞魚在密閉水環境中自在遊弋，細胞在特制培養皿中有序增殖——這些在太空上演的“生命奇迹”，背後是太空生命科學實驗系統的強力護航。
空間生命科學作為探索生命與宇宙奧秘的前沿領域，始終聚焦三大核心方向：追溯生命起源、驗證地球生物太空生存潛能、搜尋地外生命蹤迹。然而，太空極端環境堪稱“苛刻的實驗室”：微重力讓流體行為失常，強輻射威脅生物安全，高真空與極端溫差考驗設備性能，再加上航天器内有限的空間與能源，每一項都是難以逾越的技術鴻溝。
難題面前，中國科學院上海技術物理研究所交出了“中國方案”——研發的“太空生命科學儀器”，以“密閉生命支持+AI驅動原位觀測+自動化精準操控”為核心技術鍊，構建起高功能密度集成一體化實驗平台。該系統于2022年7月随問天實驗艙發射入軌，迄今已支撐40餘項空間生命科學任務，推動我國該領域研究從“簡單單項實驗”邁入“複雜系統研究”的全新階段。
“生命支持”是第一道必須攻克的難關。植物需要精準的光照與營養液供給，細胞依賴恒溫和無菌環境，昆蟲對氣體比例有嚴格要求。“我們相當于給每種生物定制‘太空家園’，既要保證接觸材料無毒無害，更要讓生存環境參數精準可控。”中國科學院上海技術物理研究所二級研究員張濤介紹，團隊聯合生物學家開展跨學科協作，經過數百次調試，最終形成個性化生命保障方案。
原位觀測的突破同樣關鍵。地面實驗中，科學家可随時取樣觀察;但在太空，所有觀測必須在密閉容器内自動完成。為此，團隊研發多模态顯微成像系統，集成明場、熒光與激光共聚焦等功能，并嵌入智能搜索算法——顯微鏡能以微米級精度自動定位懸浮液體中的細胞，實時回傳圖像供地面科學家遠程确認。
微重力環境下的精細操控，更是對技術的極緻考驗。以細胞培養換液為例，地面通過離心、傾倒即可完成，太空卻需全機械自動化操作。團隊通過數千次流體仿真與結構優化，設計出“緩慢推注擴散”式液體交換系統：新液以恒定流速緩慢推動舊液排出，既确保更換徹底，又避免細胞因流體沖擊受損。“每一步操作的誤差都控制在微米級，全靠程序精準把控。”張濤說。
針對航天器資源寶貴的特點，系統采用“共享平台+定制單元”創新設計：将顯微鏡、溫控、氣體控制等公用設備集中整合，實驗專屬需求則通過标準化個性化單元實現。這一模式既避免資源浪費，又可适配植物培養、細胞實驗、昆蟲繁殖等多種場景，資源利用率提升60%以上。
如今，依托這套“太空實驗室”，我國已取得多項國際領先成果：率先實現水稻“從種子到種子”全生命周期空間培養，為太空糧食種植奠定基礎;創建43天密閉“魚—藻”水生生态系統，打破德國保持的16天世界紀錄;構建國際首個“微重力—亞磁”複合環境實驗平台，成功實現果蠅在軌傳代繁殖。
從早期“黑盒子”式單一實驗裝置到如今的多功能系統平台，中國空間生命科學儀器完成了從無到有、從弱到強的跨越。“仰望星空，我們的征途是星辰大海;但腳踏實地，才能讓每一步探索都堅實有力。”張濤的話，道出了中國科研人的堅守與追求。
二、無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡系統：破解高端儀器“卡脖子”難題
在納米科學研究領域，掃描探針顯微鏡系統是當之無愧的“核心裝備”——它能在原子、分子尺度“看清”物質結構、“操控”單個原子，廣泛應用于物理、材料、化學、量子科技等前沿領域，堪稱科研人員的“火眼金睛”與“靈巧雙手”。
曾幾何時，我國高端掃描探針顯微鏡長期依賴進口，且傳統設備存在緻命短闆：為實現4K(約零下269.15攝氏度)及以下極低溫工作環境，必須頻繁加注昂貴的液氦。氦作為不可再生資源，不僅進口成本高昂，且加注過程中易引發震動，導緻實驗中斷甚至失敗，嚴重制約研究效率。
為打破這一困局，中國科學院物理研究所郇慶團隊曆經10餘年攻關，獨創遠端液化制冷技術，成功研發“無液氦亞3K低溫掃描探針顯微鏡系統”，關鍵性能指标躍居國際領先。
“無液氦制冷是全球行業趨勢，但掃描探針顯微鏡對震動控制要求極高——哪怕微米級震動，都可能導緻原子級觀測失準。”中國科學院物理研究所納米物理與器件實驗室副主任郇慶解釋，傳統閉循環無液氦制冷機因震動問題，始終無法應用于該領域。
團隊另辟蹊徑，提出“分離式”遠端制冷方案：将制冷機安裝在遠離顯微鏡主體的遠端，通過密封管道輸送少量氦氣作為制冷劑;氦氣經壓縮機冷卻液化後，為顯微鏡降溫至3K以下，随後氣态氦氣回流重新冷卻，形成循環利用。這一設計既徹底解決震動幹擾問題，又實現氦氣零消耗，運行成本降低90%。
如今，這套系統已在北京大學、上海交通大學等多所高校落地應用，助力科研團隊在拓撲絕緣體、高溫超導等領域産出多項發表于《自然》《科學》的前沿成果。“以前做一次低溫實驗，光液氦成本就要幾萬元，還得小心翼翼防震動;現在設備能連續穩定運行數月，科研效率大幅提升。”使用該設備的一位教授感歎道。
目前，團隊正全力攻關1.8K極低溫系統，并計劃集成磁場調控、高壓控制等拓展功能。談及科研感悟，郇慶對青年科研者寄語：“做基礎研究要能坐得住‘冷闆凳’，耐得住寂寞。很多核心技術的突破，都源于十年如一日的積累與堅守。”
三、芯片陶瓷封裝基闆視覺檢測技術：微米世界的“智能質檢員”
芯片是現代電子設備的“心髒”，而陶瓷封裝基闆則是支撐“心髒”運轉的“生命線”——它承載芯片、保護芯片，負責散熱與供電，更是連接芯片與外部器件的“電氣橋梁”。“如果說芯片是高樓大廈，封裝基闆就是穩固的地基與完善的水電系統。”東北大學于瑞雲教授的比喻形象生動。
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