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2018-08-08 11:05:10 來源: 中國青年報
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這是一張特別的“聖誕卡片”,上面有人類從未看到過的圖像。

  上一個聖誕節前,美國康奈爾大學應用與工程物理係的博士生姜毅在電腦上看到它:有的原子像訓練有素的士兵圍成圓圈,越往中間靠攏,它們的間距就越小。有的原子排列成雙,像舞會上的一對對搭檔。

  “就像一張有漂亮、對稱圖案的地毯。”和姜毅同在一個實驗組的博士後陳震對中國青年報·中青在線回憶道。

  這是一項新的吉尼斯世界紀錄,他們所在的研究團隊將電子顯微鏡成像空間分辨率降低到0.039納米。也就是説,相距0.039納米的兩個原子,各自的“容貌”都能被清晰辨認。此前,由于它們挨得太近,距離是一根頭發絲的250萬分之一,所以從來沒能被“你是你,它是它”地看清楚。

  為了直觀地展示這把“世界上最短的尺子”,他們在觀測樣品上費了很多心思,最終確定將兩片薄薄的單層二硫化鉬旋轉6.8度疊加,錯開的那一點就是這把尺子的長度。單層二硫化鉬相當于3層原子摞在一起,厚度僅有0.4納米。

  姜毅的第一反應是“真的嗎”。仔細比對理論模型和眼前的這張圖片,姜毅和陳震確定他們成功了。

  他們已經花了近兩年時間,所有努力都要小心翼翼。

  一束80千電子伏特的電子束被射擊到精心選擇的材料上,電壓很低,為了保護材料結構不被射擊損耗。但它的威力仍不容小覷,射出的速度接近光速的一半。

  經過一係列電磁透鏡後,電子被散射在四周。圓柱體的探測器發揮了相機的作用,它要拍得足夠快,避免材料移動和損傷。實驗團隊的這臺相機拍出了一秒鐘1100張照片的好成績,並且收集到了所有角度的電子。

  這是領先于過去成像方法的一個重要步驟,以前看不清是因為探測器只收集了一部分散射的電子。此前,在同樣的低電壓情況下,得到的空間分辨率一般小于0.1納米。兩張圖相比,一個線條模糊,一個能看得顆粒分明。

  一陣微風吹來,或手掌輕拍桌面,對納米尺度的成像來説都是大震動。單電子的靈敏度也要強,打到探測器上要有反應。噪音還要小,研究人員要能準確判斷電子的數量。動態范圍也要大,它是指光最大值和最小值的比值。就比如相機在晚上拍攝物體,離燈光近的地方亮,暗的地方就看不到了。這臺相機要既能拍到光弱的地方,也能拍到光強的地方,獲得完整的圖像。

  最後,要把“相機”捕捉的所有信號收集起來,用算法在電腦上重構圖像。

  這支研究團隊由大衛·穆勒教授領銜,研究成果發表在7月18日的《自然》雜志上,來自中國的姜毅和陳震是文章的共同第一作者。

  人類一直在追尋一個古老的問題,“世界是由什麼組成的”。但人類的肉眼只能分辨直徑大于0.1毫米的物體,“發絲”“針尖”幾乎是我們用眼睛能看到的最小的東西。

  有的人仰望茫茫星空,有的人低頭尋找可見之物,總有一些人保持著好奇心。

  338年前,荷蘭人安東尼·列文虎克被英國皇家學會授予會員,他只是個沒讀過多少書的布匹商人,只會荷蘭文,連用拉丁文寫的科學讀物都看不懂。但英國皇家學會還是十分驚喜地相中了他。

  因為列文虎克磨制了一塊透鏡,在下方裝一塊銅板,再鑽一個小孔,這就是一臺簡易顯微鏡的雛形。他把手上的皮膚、蜜蜂腿上的毛、蚊子的腿都放到鏡片下審視,發現了很多有意思的景象。經過不斷改進,他能看到一滴雨水裏有許多頭部伸出兩只角的生物,于是給皇家學會寫信道“比全荷蘭的人數還多許多”。他還發現了精子。

  以至于幾百年後,一個學生物的女孩在網絡上對他表白:“親愛的列文虎克男神,請聽我為您帶來一首《你是我的眼》,‘因為你是我的眼,讓我看見,這世界就在我眼前。’”這位網友小時候央求父親把單位的顯微鏡借回家,雖然“又舊又笨重”,但她還是興奮地把各種葉子、種子和羽毛放到鏡頭下,“我擁有了微觀的世界”。

  如果有心分析諾貝爾獎獲得者,也會發現科學家能看到的微觀世界越來越豐富了。從1907年開始,已經有22個獎項頒給了與顯微有關的技術。科學家看到活細胞,看到蛋白質大分子,看到HIV病毒怎樣侵襲人類的T免疫細胞,看到癌細胞如何擴散,也看到鋼鐵裏有雪花一般的樹狀組織。

  “有些東西完全沒有人看到過,我們看到了。”陳震回憶起發現新奇結構時的興奮。最近他看到原子自然形成的一種像積木的方塊和拼圖般的造型,如同美術畫作。有時他也會“職業病發作”,看到一個物體,並不是看它的顏色和形狀,而是像透視一樣思考它內部的結構。

  不只是科學家,微觀世界的魅力也逐漸散播到普通人中。日本相機制造商尼康已經舉辦了43屆顯微世界攝影大賽。從世界各地傳來的照片裏,海藻正在釋放子海藻,像張大嘴吐泡泡的圓腦袋海怪;人類皮膚細胞中的角蛋白結構,經過染色,就像被鑲嵌在木盒裏的藍寶石,它也是皮膚癌診斷的標志物;蝴蝶翅膀背面的鱗片,如鎧甲一般,中間兩條柱顯示著力量。它們的拍攝者有教師、醫生,還有其他微觀世界的愛好者。

  探究生命和自然的奧秘,“看清”是很多工作的第一步。根據陳震介紹,他們的研究應用范圍很廣,比如在材料領域,石墨烯“可以像一張紙折疊和扭曲,這樣得到的新的材料從上方往下方看,視野會被遮住,原子間間距會變小,普通的成像分辨率難以分開”。在生物領域,冷凍電鏡解析生物大分子,比如蛋白質的結構如今已經接近可以達到的分辨率的極限,但它還需要被看得更清楚,“我們的方法提供了一個新的方向”。

  另據媒體報道,這項研究也將和康奈爾大學代謝物理中心合作,研究癌症是如何在細胞間發展。19年前,諾貝爾化學獎獲得者理查德·斯莫利在美國國會眾議院的聽證會上介紹納米科技,他期待納米級藥物可以定向殺死突變的癌細胞,“癌症,將永遠成為過去”。那時他正飽受淋巴癌的折磨,臉頰凹陷,頭發幾乎掉光。

  人們還不知道世界大有多大,小有多小。哈勃望遠鏡在宇宙130億光年處拍到了最遙遠的星係,它被命名為z8_GND_5296,但這並不是宇宙的邊界。1897年湯姆森往陰極射線上加電場和磁場,發現人類第一種基本粒子,打開了微觀世界的大門。原子、原子核、介子、誇克、輕子、前子不斷被發現,最近也時常有發現新粒子的聲音。

  破了空間分辨率的記錄後,姜毅和陳震過了一個輕松的聖誕節假期。但他們當時覺得技術還遠沒有達到理想的狀態,他們還想看得更清晰。(袁文幻)

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【糾錯】 責任編輯: 王頔
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