我的老师有绝活丨在灯丝上“跳舞” 他要让昆虫机器人从科幻“爬”进现实
2024-09-08大河网
【编者按】成长的路上，你是否遇到过“身怀绝技”的老师，让沉闷的课堂生动有趣，把特长变成赋能学生的“法宝”，把学生的兴趣爱好拓展成对未来职业的向往。大河网教师节策划《我的老师有绝活》，看老师们如何用“绝活”托起下一代的梦想。
大河网讯（记者 刘高雅）凭借一台微束“电子枪”，让电子在灯丝上“跳舞”，郑州航空工业管理学院材料学院教授曾凡光在“挑战杯”全国大学生竞赛中，指导学生摘得一等奖桂冠，目前这一技术与配套装备在全球范围也属空白。
年轻时学习物理专业，却带着学生在材料学赛道上蹚出一条新路子。即将迈入花甲之年的曾凡光还有一个心愿，“把团队带出来，让微束电子枪实现工业化应用， 早日实现材料—器件—装备全链条创新。”
这把枪究竟有啥大用途？
曾凡光口中的电子枪，并非一把“真枪”，而是以电子为“子弹”的电子发射枪。灯丝就是这把枪的“枪管”，电子从这里出发，便会随电场和磁场的操控而“翩翩起舞”。那么，这把枪具体用在哪里？
“你知道昆虫尺度级别的微型机器人吗？它是由很多介观尺度（10^-4～10^-6m）复杂金属微零件组成的，‘微零件’是不是听起来就很小，特别不容易制造？”曾凡光笑着问道。
据他透露，目前，我国在高端真空电子设备，如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等灯丝材料和灯丝器件方面严重依赖进口，存在潜在的卡脖子风险。
怎样才能制造出厘米级或陆地昆虫级别的机器人，在诸如非结构性或狭窄空间中进行检查、探测及灾后搜救？曾凡光说，精密金属微结构或微零件，是先决条件之一，特别是介于宏观尺度和微观尺度之间的介观尺度（亚微米—亚毫米）微小金属零件。
通过多年研究，曾凡光发现，在现有的制造技术中，最有希望解决这一难题的技术，是采用高能量密度电子微束，对金属微粉进行图形化熔融的电子微束3D打印技术，以微零件的结构切片图形数据为基础，以高能量密度的电子微束对金属微粉进行逐层图形化熔融，最终实现金属复杂微零件的增材微制造。
“基于上述考虑，经过反复论证，我们团队老师带着学生在灯丝材料上寻求突破，再以关键材料创新促进核心器件创新。”曾凡光欣喜地说，微束电子枪就这样应运而生。
得奖后他看到学生眼含泪花
在第十八届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛中，曾凡光和团队指导学生获得一等奖的作品正是《面向复杂金属微零件增材微制造应用的微束电子枪》。
大赛期间，有两件事让曾凡光记忆深刻。
现有的电子枪灯丝主要采用六硼化镧和钨丝，但由于发射面尺度较大，无法实现小的电子束斑。团队成员们设想，如果改用实验室自制备的准宏观碳纤维，这一材料具备准宏观尺度和完美曲率半径的半球状发射面，恰好符合增材微制造的要求。
曾凡光精于科研，特别是电子源材料与器件及其应用领域的研究工作。他深知科研过程的艰难与取得成绩的不易，将多年经验对学生们倾囊相授。
在曾凡光的耐心指导下，通过一轮又一轮的实验，参赛团队最终利用物理空间限域效应和控制变量法，制备出了形态完美的准宏观碳纤维。
暑假里的郑州，气温高达40℃，热浪袭人，团队成员却在实验室里做着1000℃的灯丝生长实验。最终，他们实现了准宏观碳纤维灯丝材料的可控制备，进而完成了微束电子枪的研制与测试。
曾凡光说，在做微束电子枪的时候，学生们还需要先把灯丝材料变成灯丝器件，要把比头发丝还要细得多的材料穿进外径只有0.3毫米的铜管中，再把铜管压接到刚好与灯丝材料形成可靠电连接的程度。
“由于这是一个全新的器件，市面上没有专用工具可用，需要手动操作，只能借助显微镜和放大镜来辅助操作，学生们的畏难情绪可想而知。”提及这段经历，曾凡光满是心疼。
在曾凡光和其他团队老师们的鼓励、示范下，同学们练就了一手操纵微小物体的娴熟技巧。“现在，大部分学生都能独立完成灯丝器件的制作。这极大培养了他们精益求精的工匠精神、迎难而上的顽强意志，这是讲多少节课都换不来的进步。”曾凡光感慨道。
从院赛到国赛，从郑航到决赛现场。比赛完成后，曾凡光正带着参赛学生在贵阳附近研学时，传来了参赛作品获得一等奖的消息，“听到学生们的尖叫，看到他们眼含泪光的欢呼雀跃，那一刻，我知道他们已悄然发生了蜕变。”
让这台“枪”实现工业化应用
谈及项目的研发价值，曾凡光说，“基于微束电子枪，有望开发出电子束增材微制造系统，从而实现复杂金属微零件的增材微制造”。
对于微束电子枪未来的发展，曾凡光也有清晰的展望，他说：“接下来，我们将重点推进微束电子枪的应用研究，推动微束电子枪由实验室产品向工业化应用的转化，优化升级产品质量和性能。”
同时，他还希望，以微束电子枪为基础，开发专用电子光学系统和专用电源系统，尽早完成金属零件微纳加工装备所需的核心部件的开发，力争早日实现材料—器件—装备的跃升。
培养学生依然是重中之重，曾凡光想让更多学生融入研发平台。“通过精心培养，一定会有更多学生成为既掌握材料学知识，又具备真空电子技术应用能力的复合型创新人才，成为我国相关行业的先进材料和高端装备领域不可多得的专业技术人才。”曾凡光满怀信心地说。
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编辑:陈梦伊 审核 ：王世洋
