中國制造:儀器設備化道路上的三大障礙
一個好的實驗室和研究部門離不開好的設備和儀器，而一臺成功儀器設備的研發(fā)背后卻是實現(xiàn)這臺設備的物理原理、數(shù)學和自動控制方法等最有力的體現(xiàn)和運用。國內(nèi)目前自主開發(fā)的儀器設備太少了，有分量的就更少了。我們只是一味地在買設備，長此以往，后果不堪設想。每每在實驗室里，看到這個國家的設備，那個國家的設備，唯獨鮮見我們自己的設備，中國制造怎么就這么難！僅從科學研究和應用的角度來說，是什么阻礙了我們的科學儀器設備的發(fā)展和技術進步，試圖從三個方面來闡述這個問題，主要包括物理原理、數(shù)學和集成電路等。

從物理原理的掌握和運用上來說，這是限制我們深入發(fā)展和創(chuàng)新的第一個原因。舉個例子。1986年，物理學諾貝爾獎授予了掃描隧道顯微鏡STM(scanning tunneling microscopy)研究的幾位工作者, 其中之一是瑞士魯西利康（Ruschlikon）IBM的德國物理學家格爾德.賓寧(Gerd Binnig)和瑞士物理學家羅雷爾(Heinrich Rohrer)，表彰他們設計出了掃描隧道顯微鏡。STM的基本原理就是利用量子力學中的隧道效應，在金屬針尖和樣品表面形成隧道電流，從而實現(xiàn)了原子的表面成像。但是限于當時的技術條件，樣品只能是導電的，還不能在非金屬表面上進行成像。然而，隨后的發(fā)展卻更讓我們吃驚，一些科學家又相繼開發(fā)出能夠在絕緣襯底上的原子力顯微鏡AFM(atomic force microscopy)，它是以硅或氮化硅為針尖與樣品表面直接接觸(contact mode)，施加到樣品上的力小到只有幾個納牛(nN),甚至更小。這樣，一下子就將測試的樣品類型擴展到了幾乎所有的被研究的材料表面。隨后，人們又開發(fā)了多種多樣功能類型的表面成像設備。從此，在微米、納米尺度甚至原子水平上表面特性的研究進入到一個嶄新的領域。由此看來，物理原理的掌握和運用實在是一個重要因素。

對數(shù)學的理解和運用是第二個主要因素。現(xiàn)代的工業(yè)絕大部分技術的實施都是以計算機控制為基礎，因此，需要對諸如電壓等物理模擬量需要進行數(shù)字化，然后計算機才能夠進行有效的數(shù)據(jù)采集，再對數(shù)據(jù)進行分析，光滑處理，包括濾波分析、時域分析和頻譜分析等，最后輸出圖像等一些列過程。其中，要用到很多數(shù)學運算，傅里葉變換(FFT)、拉氏變換(Lplpace)、卷積(convulution)、相關(correlation)和互譜(cross spectrum)等。從這些分析途徑中可以對信號進行頻率的提取、圖像的光滑處理、和未來事物發(fā)展的預測等。我們每每能夠看到一些設備的軟件做的不僅界面漂亮，而其數(shù)學處理真是很專業(yè)、深入又實用。現(xiàn)在，我們也看到國內(nèi)某些研發(fā)部門也都做出了不少自己有特色的軟件，但能否持續(xù)開發(fā)升級堅持下去，仍是一個問題。因此，只有當從數(shù)學原理上有了深刻的認識，并應用到設備上，這才能發(fā)揮數(shù)學真正的作用。

第三個便是集成電路的研發(fā)與應用。固體電子學最大的成功是半導體上的集成電路的成功研制，集成電路上最大的成功應用是在計算機上的發(fā)展，而計算機的發(fā)展卻是帶動整個網(wǎng)絡時代發(fā)展的主要工具，并極大促進整個工業(yè)界在自動控制技術等領域中的應用。因此，集成電路的發(fā)展真正代表了一個國家科學技術發(fā)展的源動力。集成電路在摩爾定律的驅(qū)動下，已經(jīng)大踏步向前，據(jù)說IBM等大公司已經(jīng)開始向9nm的技術邁進。如果我們不能突破這一瓶頸，我們將會被越拉越遠。

這三個方面的問題無疑是制約我們科技發(fā)展和進步的主要因素，其中既涉及到軟的環(huán)境又涉及到硬的環(huán)境。我們可能既不缺乏懂得物理原理的人、也不乏善于數(shù)學的人，也不乏努力的技術人才，但是，如果沒有一個很好的整合，未來真的將被越拉越遠。只有開發(fā)出自己的設備，才能做出真正的屬于自己的科研，才能真正實現(xiàn)中國制造。