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4D超高速電子顯微鏡原理、發(fā)展、貢獻

4D超高速電子顯微鏡原理
受限于人類的身體構造,人類的視力是很極限的,能看到的東西也是有很大限制的,比如比人類頭發(fā)細很多的東西,就無法用人眼分辨,或者像那種速度是眼睛眨動1/10秒的動作,人類也一樣看不到的,在這種條件下,人類想去觀察和探尋一些東西,就需要使用光學和顯微鏡技術,這樣就可以看到極為細微的影像,例如病毒的顯微影像。
在最近的這些年,美國加州理工學院的研究團隊一直在研究一個新的顯微鏡技術,研究的目的主要是為了同時拍攝到時間和空間,因此行業(yè)將這項技術命名為四維(4D)電子顯微技術,4D顯微技術這種尖端科技,主要基礎是先進的雷射裝置和量子物理,但其實原理上就很簡單,就是一種停格動畫攝影術。這種停格動畫攝影術發(fā)明于1890年,是法蘭西學院教授馬雷(尒ienne-JulesMarey)研究快速運動時,在移動的物體和攝影感光片(或感光條)之間,放置有狹縫的旋轉圓盤,產生類似現(xiàn)代動畫拍攝方式的連續(xù)曝光影像。
4D電子顯微技術將可解答從材料科學到生物學等許多領域的問題,包括從原子到巨觀尺度徹底了解材料的特性、納米和微米機電系統(tǒng)(NEMS和MEMS)如何運作,以及蛋白質或生物分子組合如何折迭并變成更大的結構,這是各種活細胞運作的重要過程。另外,4D電子顯微技術還可顯示納米結構中原子的排列方式,如果時間長度可短至阿秒(10-18秒),或許還能追蹤電子在原子和分子內的移動。除了用于研究基礎科學之外,其它用途也相當廣泛,包括設計納米機器和新型藥物等。

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四維超高速電子顯微鏡的發(fā)展
4D超高速電子顯微鏡的最初是叫四維電子顯微鏡的!早在2008年的時候美國科學家就制造出了第一臺四維電子顯微鏡,能夠用來觀察原子尺度物質結構和形狀在極短時間內所發(fā)生的變化。科學家用它拍攝了金和石墨原子的活動。相關論文發(fā)表在11月21日的《科學》(Science)雜志上。
該項研究由1999年諾貝爾化學獎得主加州理工學院教授Ahmed Zewail領導完成。Zewail表示,給運動中的分子“拍照”為我們提供了時間維度信息,但無法了解空間維度相關信息。
用電子顯微鏡科學家可以得到分辨率十億分之一米以上的物體三維靜態(tài)結構,由于電子速度越快,其波長越小,所以一般都會把電子加速到極高速度。但光有電子是無法同時在空間和時間尺度上觀測原子行為的??茖W家必須小心地控制電子,以使其在特定的時間間隔到達樣本。Zewail和同事通過精確地控制電子,成功地在高分辨率電子顯微方法中引入了第四維——時間。
Zewail和同事用他們發(fā)明的“攝影術”觀測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,在飛秒時間級中,這些原子會進行獨特而一致的運動。但是研究人員發(fā)現(xiàn)在稍微長一些的時間級——皮秒中,石墨納米層能發(fā)出聲波,研究得到的四維影像展現(xiàn)了這一過程。
研究小組關于此項進展的第二篇論文發(fā)表在《納米快報》上,Zewail和同事在這篇論文中描述了納米厚度石墨層在更長時間——長達千分之一秒——中是如何變化的。
Zewail表示:“這一全新的四維觀測技術可以非常直觀、清晰易懂地表現(xiàn)引發(fā)物質結構、形態(tài)、納米運動現(xiàn)象的原子級別的變化。”Zewail與加州理工生物學副教授Grant Jensen目前正在合作,試圖將這一觀測手段引入細胞內生物成像領域。
劍橋大學著名電子顯微術專家John Thomas說:“這一發(fā)明及其應用是如此具有革命性意義,從此無數(shù)物理和生物科學的探索將得以開展。”
加州理工化學與化學工程學院院長David Tirrell說:“這一技術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,還使得從時間和空間尺度上直接觀察復雜的結構變化成為可能,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。”
加州理工學院教務長Edward M. Stolper表示:“觀測手段的提高對多個科學和技術領域的進展都有重要意義,Ahmed的這一開創(chuàng)性工作將領導新的科學和技術前沿。

在醫(yī)學的應用是從貓咪開始
4D顯微技術這種尖端科技,雖然是以先進的雷射裝置和量子物理為基礎,但許多運作原理可由科學家100多年前開發(fā)的停格動畫攝影術加以說明。其中最重要的是1890年代法蘭西學院教授馬雷研究快速運動時,在移動的物體和攝影感光片(或感光條)之間,放置有狹縫的旋轉圓盤,產生類似現(xiàn)代動畫拍攝方式的連續(xù)曝光影像。在其它研究中,馬雷研究貓落下時如何自己將身體回正,因此能以四腳著地。在沒有東西可以依靠的狀況下,貓如何憑借本能完成這樣的特技而不違反牛頓運動定律?貓落下和腿部揮動的總時間不到一秒鐘,如果沒有其它輔助方式,人類沒辦法看清楚整個過程。馬雷的停格快速攝影揭露了答案。貓是讓身體的前半部和后半部朝相反方向旋轉,同時先伸長腿部再縮回。高空跳傘員、舞者和航天員也必須學習類似的動作,讓身體旋轉。另外一種頻閃攝影技術,則是以短暫的閃光捕捉發(fā)生時間極短、難以用機械快門捕捉的事件。閃光可讓偵測裝置(例如人眼或底片)暫時看見在黑暗中移動的物體。20世紀中葉,美國麻省理工學院的艾杰頓開發(fā)出的電子裝置,可重復產生穩(wěn)定且持續(xù)僅數(shù)微秒的閃光,為頻閃攝影技術帶來大幅進步。
 
貓落下實驗則需要夠短的快門時間或頻閃閃光,才能將正在動作中的動物清楚地拍攝下來。假設貓被放下之后0.5秒內可將身體回正,那一瞬間貓的落下速度為每秒5公尺,如果使用持續(xù)1毫秒的閃光,貓在每次曝光之際落下的距離不會超過5毫米,因運動而造成的影像模糊不會很明顯;如果要將整個過程拍成10個畫面,必須每隔50毫秒拍攝一張相片。如果我們想觀察的不是貓而是分子,頻閃閃光應該要有多短?分子或材料結構內的許多變化可以歸因于原子移動了數(shù)埃。要清楚呈現(xiàn)這類運動,空間分辨率必須小于1埃。在這類變化中,原子通常以每秒1000公尺的高速移動,頻閃閃光必須短于10飛秒,影像分辨率才可小于0.1埃。在1980年代,研究人員就曾使用飛秒激光脈沖測量原子移動相關的化學程序,但是沒有拍攝原子在空間中的位置,因為可見光的波長是分子或材料中原子間距的數(shù)百倍。高速電子很早就用來呈現(xiàn)原子尺度的影像,但目標物必須固定不動,同時拍攝必須持續(xù)數(shù)微秒之久,依相機速度而定。因此,我們想拍攝的原子尺度影片必須具備電子顯微鏡的空間分辨率,同時還要有飛秒等級的電子脈沖,才能“照亮”目標。這種照亮目標的電子團稱為“探測脈沖”。
 
還有一個問題是動作的計時,也就是取得動作開始的確定時間點。如果所有探測脈沖都是在動作開始之前或結束之后才拍攝,當然不可能拍到可用的影像。拍攝貓的動作時,機器通常是從釋放貓咪的那一瞬間開始動作;以超高速拍攝時,則得使用稱為計時脈沖的飛秒起始脈沖觸發(fā)對材料或程序的探測過程。即使探測脈沖和計時都在掌握之中,另外還有同步問題存在。典型的超高速實驗在這方面和貓落下實驗有相當大的差異。如果一切都依照計劃順利進行,馬雷只需拋下一只貓咪,而且只需一次就可完成實驗。即使連續(xù)曝光的起始點比釋放貓咪略慢,比如說差距5、10或17微秒,其實沒有什么差別。但是,超高速顯微技術可能需要在每次計時脈沖中,探測數(shù)百萬個原子或分子,或是重復實驗數(shù)千次再組合成完整影像。想象一下,如果馬雷每次放下貓咪時,只能拍攝整個畫面中的一長條垂直部份,他會怎么做?為了將一連串部份畫面組合成完整的貓落下相片,他必須重復進行實驗,每次拍下位置略有差異的長條垂直畫面。要將這么多長條畫面正確組合成有意義的完整影像,必須每次都以相同的初始狀態(tài)拋下貓,并且每次都仔細讓釋放動作和快門開啟以相同的方式同步運作。初始狀態(tài)的長度精確性必須達到貓體型的數(shù)分之一,時間同步的精確性則必須小于快門開啟的時間。同樣的,在原子或分子的超高速攝影中,初始狀態(tài)的分辨率必須低于1埃,計時和探測脈沖彼此時間差的精確度則必須低于飛秒。探測脈沖相對于計時脈沖的時間調整,是沿著一條長度可調整的路徑,送出兩種脈沖的其中之一所得到的(以距離差距造成時間的差距)。對于以光速行進的脈沖而言,要以1微米的精確度來設定路徑長度,對計時而言,相當于3.3飛秒的精確度。
 
我們還有一個基本問題必須克服,才能以電子拍攝影片。電子和光子不同,電子帶電而彼此互相推斥,將許多電子擠壓成脈沖,會破壞時間和空間分辨率,因為電子的斥力會使脈沖分崩離析。1980年代,德國柏林科技大學的波斯坦喬格羅以僅有一億個電子的脈沖拍攝影像,但分辨率不超過納秒和微米。
我的研究團則隊運用先前的超高速電子繞射研究成果,開發(fā)出單一電子攝影技術,完成了這個挑戰(zhàn)。每個探測脈沖僅有一個電子,在拍成的影片中只會形成一個小光點。但由于每個脈沖的計時都相當精準,同時具有“同調性”,因此許多光點可以組合成完整的物體影像。同調性會造成一項代表量子力學怪異性的現(xiàn)象:一個電子同時穿過兩個狹縫,然后在偵測屏幕上的任意位置形成單一光點,但是所有光點組合成干涉波特有的明暗條紋圖形,是可以預測的。

 

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