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《清晰的纳米世界-显微镜终极目标的千年追求》读后感 精选

已有 3092 次阅读 2020-5-31 05:34 |系统分类:科研笔记

       原子的学说,从两千多年前的古希腊先贤们那里开始,历经漫长的科研历史长河,终于在上个世纪后半叶才让世人见到她真实的“面貌”。Seeing is believing,百闻不如一见,显微镜的发明体现了人们的这一追求。 清晰的纳米世界,是科研人员追求的梦想和理想境界。

      有些数据我们记住会有所帮助,比如,正常情况下,人眼裸识可辨的两点的最小距离大约是50微米,这点有些网络上给的数字偏差较大。50微米大概相当于人头发丝的二分之一粗。    

光学显微镜对人类科技的发展的影响可能比同学们想象要大很多,比如人体血液循环理论就是靠光学显微镜验证的,很多的生物学和材料学的基础知识是靠它奠定的。17世纪,没有上过大学的列文虎克的钥匙扣般大小的简式显微镜缔造了那许多“little animals”的神话。科研设备很重要,执着科研的精神才是创新的动力!

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左图是列文虎克的简易显微镜,大小跟右图钥匙相仿。

       阻挡光学显微镜发展的两大拦路虎是色差和球差。通过凸透镜远光轴的光的焦距小于近光轴的光,这就造成了球差。曲率大的透镜,放大倍数大,但球差越大。球差可以通过采用曲率小,放大倍数低的凸透镜组(为了保持比较大的放大倍数)降低。

      衡量显微镜的标准是什么,是能区分距离多近的两点或两线,称为分辨率,不是放大倍数,现在很多淘宝商家宣称光学显微镜放大倍数好几千,放大多大不是我们的目的,我们的目的是放大了且能分辨多细小的物体,不能分辨物体的放大没有任何意义。

      另外需要记住的数字,光学显微镜分辨率的理论极限是0.2微米,现代好的光学显微镜已经可以达到(物镜需要浸在油里)。

     不同颜色的光在玻璃中的折射率不同,色差是经透镜无法将不同颜色的光(不同波长)都聚焦在同一点的现象。律师出身的霍尔在1733年将冕玻璃做凸透镜和火石玻璃作凹透镜(折射率不同)组合解决了色散问题。外行也能立大功,培养科学的业余爱好值得科技部门的领导推广。

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色差产生原理示意图。


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球差产生原理示意图。


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利用不同冕玻璃凸透镜和火石玻璃作凹透镜解决色差问题。


      光学显微镜受可见光波长的限制无法达到更高的分辨率,于是人们又进一步开展了电子显微镜的研究。X射线很重要,但人们无法做出X射线的透镜,于是人们转向电子。电子跟可见光不同,可见光有凸透镜和凹透镜来汇聚和散射光。对电子来说,只有一种,那就是电子凸透镜。这点限制了电子显微镜的设计,为了消除色差,电子显微镜要比光学显微镜困难很多。

TEM的原理跟投影机差不多,不过光源是高亮电子枪做光源,经过电子透镜整形成平行电子束,穿过样品,经过物镜,再经过中间镜和投影镜等电子透镜组放大投影到屏幕上。高真空很重要,因为电子枪发出的电子经高压加速,如果是在大气中,电子会被比电子大得多的空气分子散射。只要在真空中,电子束才能不被干扰,被后续电子透镜很好的折射放大信号。人眼不能像看光学显微镜那样直接面对从物镜过来的光,因为电子束能量非常高,会伤害人的眼睛,所以TEM荧光屏是比光学显微镜多的又一部件。TEM除了可直观观测样品形貌外,还可获得电子衍射谱,可确定晶体是单晶、多晶和非晶。

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电子透镜示意图。


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投影机(幻灯机)与透射电镜原理示意图。


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透射电镜成像光路原理图。


 电子显微镜除了具有光学显微镜中的球差和色差外,还存在一些与磁场或电场分布有关的像差,如像散。球差和色差可通过显微镜的设计降低。像散需要观察人员在操作时人为调节。像散的起因是在加工电子透镜时无法将增强磁场的软铁轭加工成完美的圆形,导致透镜中磁场分布不是严格轴对称,电子束在这种磁场中沿螺线轨迹前行时就会偏离理论轨迹,远离透镜轴心的电子束偏离更明显。这导致电子束在透镜后汇聚不是同一点,换句话说像点被畸变扩大了,这种现象就是像散。如金颗粒或碳膜小圆孔等,样品边缘如出现明显的完整的均匀的菲涅尔条纹,说明没有像散,像面上的任意两个垂直方向同时聚焦,聚焦程度一样,这是一个测试技巧。如果有像散,颗粒或碳膜小孔像的不同垂直方向,菲涅尔条纹不均匀,不一致。

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左图的左下和右上对应的菲尼尔条纹跟黑色箭头所指两个方向的相比不明显,说明垂直两个方向的聚焦情况不同,因而有像散。右图所有碳膜小圆孔的四周菲涅尔条纹几乎一样,说明聚焦在不同方向是均匀的,没有像散。


       TEM中可分辨的两点间距与球差成正比,可通过球差系数矫正器减小到近乎是零。

        透射电子显微镜TEM是人类20世纪最伟大的发明之一,由于发明权之争,拖了55年后才因为其他人的彻底缄默(去世了,不能争了),于1986年80岁的鲁斯卡获奖,一个迟到的褒奖。 

 

      一句话总结光学显微镜和电子显微镜(TEM和SEM):透镜对光(或电子)的折射而产生的放大作用!

      电子显微镜对人类的贡献巨大,比如病毒的观测在光学显微镜年代让无数科学家苦苦搜寻它千百度,由于病毒太小而无法看到。今年自西班牙大流感后,百年一遇的一次病毒大流行,让我们记住电子显微镜的贡献!没有它我们见不到冠状病毒的真容,无法确定病源体,我们就不知道我们人类的敌人到底是谁,更无从谈防治了。对付病毒最有效的手段还是疫苗,不是抗生素。


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香港大学研究人员于2020年1月31日公布电子显微镜下新型冠状病毒图像(显微镜图像显示了在细胞中生长的新型冠状病毒)。后期彩色的病毒图片是人为渲染的,这里才是真实实验室拍摄的图片。


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这是根据透射电镜照片,人为制作渲染出来的。上面TEM图片才是基础。


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图中黑色箭头处为晶体中刃形位错的高分辨图片。


书中关于碳纳米管的故事,饭岛澄男(S.Iijima)发现碳纳米管后,很多人宣称之前就见到过碳纳米管,话可能不假,但是,看到并不等于认识到。看见事物与认识事物是完全不同的两码事,饭岛仍被公认为碳纳米管发现第一人。这是饭岛的幸运,至今他除了诺贝尔奖外,其他大奖都拿了,不知诺奖的幸运今后是否会降临他!


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STM人工操纵单个原子的杰作,上图为由STM操纵单个原子构成的IBM字样,下图为STM操纵单个原子构成的量子围栏。


STM扫描隧道显微镜,是一种利用量子隧穿效应探测物质表面结构的仪器,属于探针类显微镜。它于1981年由格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明,是人类进行原子分辨率观测表面结构的利器。为了避免样品表面被空气中的分子和原子污染,常常在超高真空中进行,为了防止原子的热振动对观测的影响,常常在极低的温度下观测。STM研究学者常常夜间工作,一方面夜深人静适合思考,另外重要的是,夜晚振动小,噪音小,我在物理所的几位舍友,常年晚上工作,甚是辛苦,后来他们都取得了非常优异的科研成果。为STM科研工作者致敬!

       书中说国外有人用不到100美元制作了简易STM,我搜了网络国外有些动手达人自制SEM、AFM和STM,台湾有中学生做简易STM,大陆没有发现。感觉大陆中学和大学生的动手能力应该向西方,甚至我们的台湾同胞学习。

      STM的缺点是要求被研究的样品必须是导电的。对于不导电的物体需要采用其他手段。为了弥补这个缺点,STM的发明人宾尼希发明了原子力显微镜AFM。AFM对样品是否导电没有要求,自从发明以来发展迅速。除了AFM之外,STM的其他变种,扫描探针显微镜SPM家族还包含摩擦力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、扫描电化学显微镜、扫描磁振力显微镜、近场扫描光学显微镜和浸笔(dip pen)等等。不光可实现各种信号的形貌位置信息探测,还可实现样品表面结构及纳米级别图案的制作,诱发样品表面极小区域内生物化学反应,微小区域刻蚀,金属或聚合物沉积等诸多功能。IBM苏黎世研究中心的物理学家金兹威斯基把SPM誉为“针尖上的实验室(a laboratory on a tip)”。

作者书中引用其他人的统计,在当代各类自然科学研究论文中,超过50%的研究工作都使用了电子显微术(SEM、TEM,AFM,STM等),可见电子显微术地位的重要,希望电子显微术的明天会更好,同学们要好好掌握这门技术。

 

      跋:多年以前读后感是语文老师布置的任务,那时候写是应付差事。多年后,突然想写了,不想写那些套路,想写自己对所读书的感想,只写那些书中触动自己的部分,不苛求文章的严谨和语言的精妙。只为了传播那些曾经触动过自己心灵的东西,希望对组里的学生和读者朋友们有所帮助。





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