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美國(guó)科學(xué)家近日制造出了第一臺(tái)四維電子顯微鏡,能夠用來(lái)觀察原子尺度物質(zhì)結(jié)構(gòu)和形狀在極短時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的變化。科學(xué)家用它拍攝了金和石墨原子的活動(dòng)。相關(guān)論文發(fā)表在11月21日的《科學(xué)》(Science)雜志上。
該項(xiàng)研究由1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主加州理工學(xué)院教授Ahmed Zewail領(lǐng)導(dǎo)完成。Zewail表示,給運(yùn)動(dòng)中的分子"拍照"為我們提供了時(shí)間維度信息,但無(wú)法了解空間維度相關(guān)信息。
Zewail和同事用他們發(fā)明的"攝影術(shù)"觀測(cè)了超薄金箔和石墨層的原子行為。石墨由許多碳原子層組成,在飛秒時(shí)間級(jí)中,這些原子會(huì)進(jìn)行獨(dú)特而一致的運(yùn)動(dòng)。但是研究人員發(fā)現(xiàn)在稍微長(zhǎng)一些的時(shí)間級(jí)——皮秒中,石墨納米層(nanosheets)能發(fā)出聲波,研究得到的四維影像展現(xiàn)了這一過(guò)程。
Zewail表示:"這一全新的四維觀測(cè)技術(shù)可以非常直觀、清晰易懂地表現(xiàn)引發(fā)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、納米運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的原子級(jí)別的變化。"Zewail與加州理工生物學(xué)副教授Grant Jensen目前正在合作,試圖將這一觀測(cè)手段引入細(xì)胞內(nèi)生物成像領(lǐng)域。
研究小組關(guān)于此項(xiàng)進(jìn)展的第二篇論文發(fā)表在《納米快報(bào)》(Nano Letters)上,Zewail和同事在這篇論文中描述了納米厚度石墨層在更長(zhǎng)時(shí)間——長(zhǎng)達(dá)千分之一秒——中是如何變化的。
用電子顯微鏡科學(xué)家可以得到分辨率十億分之一米以上的物體三維靜態(tài)結(jié)構(gòu),由于電子速度越快,其波長(zhǎng)越小,所以一般都會(huì)把電子加速到極高速度。但光有電子是無(wú)法同時(shí)在空間和時(shí)間尺度上觀測(cè)原子行為的。科學(xué)家必須小心地控制電子,以使其在特定的時(shí)間間隔到達(dá)樣本。Zewail和同事通過(guò)精確地控制電子,成功地在高分辨率電子顯微方法中引入了第四維——時(shí)間。
圖片說(shuō)明：用四維電子顯微鏡來(lái)顯示納米鼓動(dòng)現(xiàn)象。
（圖片來(lái)源：Nano Letters; images and diagram produced at Caltech
加州理工化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng)David Tirrell說(shuō):"這一技術(shù)生成的系列圖像是非凡的,不僅提供了前所未有的觀察分子和材料行為的手段,還使得從時(shí)間和空間尺度上直接觀察復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化成為可能,這一成果將使我們找到理解分子和材料的根本性的新方法。"
劍橋大學(xué)著名電子顯微術(shù)專家John Thomas說(shuō):"這一發(fā)明及其應(yīng)用是如此具有革命性意義,從此無(wú)數(shù)物理和生物科學(xué)的探索將得以開(kāi)展。"
加州理工學(xué)院教務(wù)長(zhǎng)Edward M. Stolper表示:"觀測(cè)手段的提高對(duì)多個(gè)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展都有重要意義,Ahmed的這一開(kāi)創(chuàng)性工作將領(lǐng)導(dǎo)新的科學(xué)和技術(shù)前沿。"(科學(xué)網(wǎng) 徐青/編譯)
(《科學(xué)》(Science),Vol. 322. no. 5905, pp. 1227 – 1231,Brett Barwick,Ahmed H. Zewail)
(《納米快報(bào)》(Nano Letters),8 (11), pp 3557–3562,Oh-Hoon Kwon,Ahmed H. Zewail)
關(guān)鍵詞：四維,電子顯微鏡,科學(xué)家
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