在燈絲上“跳舞” ，他要讓昆蟲(chóng)機(jī)器人從科幻“爬”進(jìn)現(xiàn)實(shí)

憑借一臺(tái)微束“電子槍”，讓電子在燈絲上“跳舞”，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院材料學(xué)院教授曾凡光在“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生競(jìng)賽中，指導(dǎo)學(xué)生摘得一等獎(jiǎng)桂冠，目前這一技術(shù)與配套裝備在全球范圍也屬空白。

年輕時(shí)學(xué)習(xí)物理專業(yè)，卻帶著學(xué)生在材料學(xué)賽道上蹚出一條新路子。即將邁入花甲之年的曾凡光還有一個(gè)心愿，“把團(tuán)隊(duì)帶出來(lái)，讓微束電子槍實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用， 早日實(shí)現(xiàn)材料—器件—裝備全鏈條創(chuàng)新。”

這把槍究竟有啥大用途？

曾凡光口中的電子槍，并非一把“真槍”，而是以電子為“子彈”的電子發(fā)射槍。燈絲就是這把槍的“槍管”，電子從這里出發(fā)，便會(huì)隨電場(chǎng)和磁場(chǎng)的操控而“翩翩起舞”。那么，這把槍具體用在哪里？

“你知道昆蟲(chóng)尺度級(jí)別的微型機(jī)器人嗎？它是由很多介觀尺度（10^-4～10^-6m）復(fù)雜金屬微零件組成的，‘微零件’是不是聽(tīng)起來(lái)就很小，特別不容易制造？”曾凡光笑著問(wèn)道。

據(jù)他透露，目前，我國(guó)在高端真空電子設(shè)備，如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等燈絲材料和燈絲器件方面嚴(yán)重依賴進(jìn)口，存在潛在的卡脖子風(fēng)險(xiǎn)。

怎樣才能制造出厘米級(jí)或陸地昆蟲(chóng)級(jí)別的機(jī)器人，在諸如非結(jié)構(gòu)性或狹窄空間中進(jìn)行檢查、探測(cè)及災(zāi)后搜救？曾凡光說(shuō)，精密金屬微結(jié)構(gòu)或微零件，是先決條件之一，特別是介于宏觀尺度和微觀尺度之間的介觀尺度（亞微米—亞毫米）微小金屬零件。

通過(guò)多年研究，曾凡光發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有的制造技術(shù)中，最有希望解決這一難題的技術(shù)，是采用高能量密度電子微束，對(duì)金屬微粉進(jìn)行圖形化熔融的電子微束3D打印技術(shù)，以微零件的結(jié)構(gòu)切片圖形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以高能量密度的電子微束對(duì)金屬微粉進(jìn)行逐層圖形化熔融，最終實(shí)現(xiàn)金屬?gòu)?fù)雜微零件的增材微制造。

“基于上述考慮，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，我們團(tuán)隊(duì)老師帶著學(xué)生在燈絲材料上尋求突破，再以關(guān)鍵材料創(chuàng)新促進(jìn)核心器件創(chuàng)新。”曾凡光欣喜地說(shuō)，微束電子槍就這樣應(yīng)運(yùn)而生。

得獎(jiǎng)后他看到學(xué)生眼含淚花

在第十八屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中，曾凡光和團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生獲得一等獎(jiǎng)的作品正是《面向復(fù)雜金屬微零件增材微制造應(yīng)用的微束電子槍》。

大賽期間，有兩件事讓曾凡光記憶深刻。

現(xiàn)有的電子槍燈絲主要采用六硼化鑭和鎢絲，但由于發(fā)射面尺度較大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小的電子束斑。團(tuán)隊(duì)成員們?cè)O(shè)想，如果改用實(shí)驗(yàn)室自制備的準(zhǔn)宏觀碳纖維，這一材料具備準(zhǔn)宏觀尺度和完美曲率半徑的半球狀發(fā)射面，恰好符合增材微制造的要求。

曾凡光精于科研，特別是電子源材料與器件及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。他深知科研過(guò)程的艱難與取得成績(jī)的不易，將多年經(jīng)驗(yàn)對(duì)學(xué)生們傾囊相授。

在曾凡光的耐心指導(dǎo)下，通過(guò)一輪又一輪的實(shí)驗(yàn)，參賽團(tuán)隊(duì)最終利用物理空間限域效應(yīng)和控制變量法，制備出了形態(tài)完美的準(zhǔn)宏觀碳纖維。

暑假里的鄭州，氣溫高達(dá)40℃，熱浪襲人，團(tuán)隊(duì)成員卻在實(shí)驗(yàn)室里做著1000℃的燈絲生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。最終，他們實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)宏觀碳纖維燈絲材料的可控制備，進(jìn)而完成了微束電子槍的研制與測(cè)試。

曾凡光說(shuō)，在做微束電子槍的時(shí)候，學(xué)生們還需要先把燈絲材料變成燈絲器件，要把比頭發(fā)絲還要細(xì)得多的材料穿進(jìn)外徑只有0.3毫米的銅管中，再把銅管壓接到剛好與燈絲材料形成可靠電連接的程度。

“由于這是一個(gè)全新的器件，市面上沒(méi)有專用工具可用，需要手動(dòng)操作，只能借助顯微鏡和放大鏡來(lái)輔助操作，學(xué)生們的畏難情緒可想而知?！碧峒斑@段經(jīng)歷，曾凡光滿是心疼。

在曾凡光和其他團(tuán)隊(duì)老師們的鼓勵(lì)、示范下，同學(xué)們練就了一手操縱微小物體的嫻熟技巧?！艾F(xiàn)在，大部分學(xué)生都能獨(dú)立完成燈絲器件的制作。這極大培養(yǎng)了他們精益求精的工匠精神、迎難而上的頑強(qiáng)意志，這是講多少節(jié)課都換不來(lái)的進(jìn)步。”曾凡光感慨道。

從院賽到國(guó)賽，從鄭航到?jīng)Q賽現(xiàn)場(chǎng)。比賽完成后，曾凡光正帶著參賽學(xué)生在貴陽(yáng)附近研學(xué)時(shí)，傳來(lái)了參賽作品獲得一等獎(jiǎng)的消息，“聽(tīng)到學(xué)生們的尖叫，看到他們眼含淚光的歡呼雀躍，那一刻，我知道他們已悄然發(fā)生了蛻變?！?/p>

讓這臺(tái)“槍”實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用

談及項(xiàng)目的研發(fā)價(jià)值，曾凡光說(shuō)，“基于微束電子槍，有望開(kāi)發(fā)出電子束增材微制造系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬微零件的增材微制造”。

對(duì)于微束電子槍未來(lái)的發(fā)展，曾凡光也有清晰的展望，他說(shuō)：“接下來(lái)，我們將重點(diǎn)推進(jìn)微束電子槍的應(yīng)用研究，推動(dòng)微束電子槍由實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品向工業(yè)化應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，優(yōu)化升級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量和性能。”

同時(shí)，他還希望，以微束電子槍為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)專用電子光學(xué)系統(tǒng)和專用電源系統(tǒng)，盡早完成金屬零件微納加工裝備所需的核心部件的開(kāi)發(fā)，力爭(zhēng)早日實(shí)現(xiàn)材料—器件—裝備的躍升。

培養(yǎng)學(xué)生依然是重中之重，曾凡光想讓更多學(xué)生融入研發(fā)平臺(tái)。“通過(guò)精心培養(yǎng)，一定會(huì)有更多學(xué)生成為既掌握材料學(xué)知識(shí)，又具備真空電子技術(shù)應(yīng)用能力的復(fù)合型創(chuàng)新人才，成為我國(guó)相關(guān)行業(yè)的先進(jìn)材料和高端裝備領(lǐng)域不可多得的專業(yè)技術(shù)人才?！痹补鉂M懷信心地說(shuō)。