触摸原子成为可能

触摸原子成为可能

通过澳大利亚的一项新创新,科学家可以近距离观察迄今为止检测到的最微小颗粒。

你曾经感觉到过原子吗?我们自己是由原子组成的,无论是在自己的身体还是在物理世界的各个方面,我们总是与它们接触。但我们本身没有感觉到它们。即使你把手掌放在桌子的顶部,你实际上也不是感觉到原子——你感觉到电子以接近光速在每个原子的外围旋转所产生的静电场的排斥。它们产生负电荷,防止其他原子——也具有负电荷——过于接近。在这个细节层面上,整个表面的世界变成了类似于难以想象的数量的微小同极磁铁试图把自己粘在一起的东西。

科学家首次真正尝试在原子尺度上感受物质打开了大门。1981年,为IBM苏黎世工作的研究人员Gerd BinnigHeinrich Rohrer开发了扫描隧道显微镜STM)。基于量子力学的基本效果之一,STM将本质上非常锋利的针尖放在离被检查的材料非常近的地方。当获得电荷时,电子跳下探针尖端,并通过材料隧道。这种隧道的模式——电子从尖端跳到材料的地方和时间——为您提供了材料的图像,就像它被X射线射穿一样。尽管原子无法紧密相连,但宾尼格和罗勒利用量子隧道,使他们能够如此温柔地相互放牧——这项研究为他们赢得了1986年诺贝尔物理学奖。

1985年,Binnig继续对STM进行了首次真正的改进——“原子力显微镜AFM),该显微镜在探针尖端添加了微机械振动器。当AFM尖端来回振动时,它会扫描原子尺度上的材料区域。这个尖端——只有几百万分之一米长——既可以读取它下面的材料,也可以(加上适当的电荷)甚至可以用来推动材料四处走动,轻轻地将单个原子推向新位置。为了展示他们新发现的能力,IBM1989年发布了一张著名的照片,照片中排列成IBM徽标的一组氙原子。这绝非易事——允许电子从尖端隧道进入材料的量子效应也使这些原子非常容易漫步远离AFM诱导的位置。

原子力显微镜使原子成为可能,但美国北卡罗来纳大学的一名非常聪明的研究生想出了如何触摸它们。罗素·M.Taylor将原子力显微镜生成的信息输入了一台数百万美元的图形超级计算机。使用这些数据在探针尖端下生成材料的三维轮廓。尽管AFM扫描生成的图像粗略地描述了原子的形状,但泰勒的可视化提供了深度、位置和方向感——不仅仅是一个原子,而且这个原子相对于该原子,揭示了化学上相互关联的原子(分子)的结构。这些原子和分子投射到一张桌子大小的表面上,用特殊的3D眼镜观看,看起来和苹果和橙子一样真实。

Taylor在他的研究设备中添加了最后一次触摸——他的VR系统有一个触觉界面;也就是说,它可以为桌面虚拟世界中显示的对象提供虚假的触摸感。你可以(虚拟地)用手穿过原子表面,甚至把它们推来推去,感觉它们折回原位。正如泰勒所命名的,这个纳米机械手成为虚拟现实第一时代的里程碑式作品之一。他们与一些研究化学家分享他的工作成果,他们感到惊讶的是,可以感觉到穿越一直是理论抽象的化学键和分子结构,发现他们从未了解过关于这些物质,因为他们的触觉揭示了甚至没有人想到的直觉的细节。纳米机械手涉及多种感官,使原子尺度变得有形,并为化学家提供了一个令人难以置信的思考自己工作的工具。

触摸原子成为可能


纳米机械手使原子尺度变得有形。

但纳米机械手很大,很贵,也很精致。STMAFM需要一定程度的精度和支持,将它们放入最稀有的实验室套件中——如果你想尝试,你仍然需要100多万美元的超级计算机才能将其转换为纳米机械手。Taylor精心设计了一个独一无二的突破性工具。即使为AFM扫描准备样本也需要做大量工作;AFMSTM的受试者必须被放入一个孤立的真空室——这立即排除了对任何远处活着的东西的原子尺度观测。

研究人员克里斯托弗·博尔顿在墨尔本大学的一个实验室意外发现,为纳米尺度打开了一扇毒性较小的窗口。在他关于激光的工作中,博尔顿看到了他以前从未见过或听说过的东西——从多个角度照亮微观小的东西,产生了同一物体的多个视图,博尔顿可以使用相当简单的数学点将这些图像汇总到那个非常小的东西的单一视图中。

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有多小?光学显微镜以半微米(微米是百万分之一米)达到了他们所能看到的物理极限——因为那时某物是如此小,比光的波长更小。博尔顿发现,使用他用光束从所有角度拍摄物体的方法,他只能对大小的物体进行20分之一——只有25纳米(十亿分之一米)的图像。

这项技术几乎可以用于任何你想扔在显微镜幻灯片上的样本——不需要真空。Bolton报告说:我们在幻灯片上放了一种活细菌,并在它挣扎时看着它。博尔顿的发现——他与研究顾问Ray Dagastine一起变成了初创企业Tiny Bright Things——看起来它可以为医学和生物学提供他们看到细菌、病毒以及我们身体和环境之间深度但鲜为人知的相互作用所需的观测依据。

四百年前,第一台显微镜给了我们一扇窗户,通向一个我们从未想象过的世界。这些最新的显微镜为我们理论上理解但在实践中从未访问过的世界开辟了新的前景。当我们看到纳米生物的舞蹈时,我们会学到多少?也许用不了多久,一些有进取心的研究生在这台新的显微镜上拍打触觉界面,这样我们就可以触摸病毒表面,感受其尖峰蛋白,也许还能更好地学习如何保护自己免受这些蛋白质的影响?

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投稿时间:2022-02-08  最后更新:2022-05-22

标签:博尔顿   泰勒   原子   机械手   显微镜   尺度   纳米   隧道   东西   材料

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