◎科技日报记者张伟
细雨落江南，初秋的荷花在暖风中争奇斗艳。江苏省苏州市向东，缓缓行驶的汽车穿过波光粼粼的独墅湖，将许多各具特色的现代建筑甩在身后，向一栋看起来“毫不起眼”的小楼靠近。
这是中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的纳米真空互联实验站(以下简称实验站)，也是地球上最接近月球真空环境的最大科研场所。
“实验站培育了具有国际先进水平的第二代量子材料与器件、第三代半导体材料与器件等核心技术成果。”8月28日，在接受科技日报记者采访时，实验站站长张伟研究员自豪地说。
开一个靠近月球环境的实验站
在绿树的掩映下，记者步入实验站所在的灰白色大楼。宽敞整洁的大厅深处有一个洞——深绿色的地板上，两侧陈列着各种科学仪器，穿着白大褂的科研人员来回穿梭...
研究人员在纳米真空互联实验站收集并记录实验数据。图片来源:中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张伟告诉记者，该实验站开展的大部分重大科研项目都与纳米器件和纳米材料有关。
对于普通人来说，纳米这个词有点距离感。其实纳米只是一个长度单位，1纳米就是10-9米。纳米材料是指长、宽、高中至少有一项在纳米尺度或以它们为基本单元组成的材料。在微观尺度上，纳米材料似乎打开了一个新的物质世界。
“实现纳米材料的表面或界面调控，甚至探索真空互联下原子制造等新的制备工艺，是全球公认的突破摩尔定律失效魔咒、发展未来信息器件和集成电路的关键技术难题。”张伟告诉记者。
然而，纳米材料的制备、测试和加工极其困难。“以制造芯片的10级超净室为例。在一立方英尺的空间中，0.5微米以上的尘埃颗粒不能超过10个。”张伟说，“对于新型纳米材料，为了保证其固有性质，要求更加苛刻。”
为了给科研人员提供接近月球环境的实验条件，2014年，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所与包新河院士、薛其坤院士合作，开始建设世界上第一个集材料生长、器件加工、测试分析于一体的重大科学装置——纳米真空互联实验站。
克服两大挑战，完成建设
深入实验站内的科研区，仿佛进入了电影的未来世界——203米长的银色超高真空管道纵横交错，连接着40台大型设备，磁力传输小车载着样品以每分钟3.2米的速度通过真空管内的轨道，由管道外轨道上的磁铁“导航”到各个设备节点。
“外国的真空装置是和我们同时建造的。不仅规模和复杂程度远不如我们，而且真空度也低得多，这意味着那里的材料很快就会变得‘不那么干净’。”实验站副站长崔屹研究员介绍，为了实现超高真空环境，实验站通过改进管道材料、加工工艺、设置多级泵等措施，对设备和管道的连接方式进行了设计和改造，确保各地真空度保持均衡。
“建设中的另一个难点是在保证真空性能的前提下，实现所有设备的互联互通。”实验站副站长李方森研究员说，现有的现成设备大多满足不了需求，要靠科研人员自己改造。
“研究人员巧妙地设计了样品架，利用磁力远程操作运输，通过机械手将样品送入管道。管道的每一段都有两辆带磁铁的车，由智能中控台自动控制。测试材料性能的设备分布在真空管道主轴的两侧。”指着泛着金属光泽的机械手和缓缓移动的小车，李方森告诉记者，“就这样，我们实现了所有设备的互联互通。”
纳米真空互联实验站内。图片来源:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。今年2月，实验站二期建设工程顺利验收。“目前实验站真空度优于2×10-8帕斯卡，接近月球环境，为材料赢得了更长的‘保真期’，突破了长期阻碍纳米材料基础研究和技术发展的瓶颈。”崔屹告诉记者。
成为纳米材料研究的聚宝盆。
科研基础设施是纳米技术创新的基石。在张伟看来，实验站已经成为纳米材料和器件研究的“聚宝盆”，也是人才和成果聚集的平台。
记者见到弗洛伦斯·于(Florence Yu)时，他正在实验站开发新一代记忆材料。作为洛玛丽芯片技术常州有限公司的R&D人员，Florence Yu和他的同事们已经在这里进行了三年的实验，目前进展顺利。预计第一批幻灯片将于今年年底完成。此前，国外同行曾尝试开发这种新型存储器，但效果并不理想，主要是无法实现不同晶体材料在真空环境下的连续生长。
除了接收国内科研人员，国外很多科研人员也把目光投向了实验站。
2021年，加拿大滑铁卢大学陈仲伟院士团队找到了实验站。他们在研制锌离子电池时遇到了困难，希望在实验站的帮助下完成研究的“最后一棒”。团队成员罗丹博士表示，锌阳极的表面结构非常小，即使是倍数最大的光学显微镜也看不清楚。此外，负电极的表面结构容易与空气反应，导致结构变化。
“放眼全球，只有这里才能满足实验需求。”罗丹坦言。通过与实验站的深入合作，他们最终获得了各种表征数据完全一致的实验结论，相关结果发表在《先进材料》上，引起全球关注。
目前，实验站已接待清华大学、北京大学、中科大等科研用户220余家，在能源材料、低维材料、高温超导材料等领域取得了一批重要成果。
“纳米真空互联实验站提供了一条革命性的技术路线，有利于突破阻碍纳米领域基础研究和技术发展的瓶颈，提升我国重大仪器设备的研究水平。”展望未来，张伟充满信心地说，“我们期待实验站这一重大科学装置能产生更加优异的成绩！”
来源:科技日报
编辑:张琪琪
审计:朱莉
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