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2018年08月08日 星期三
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地球上视力最好的人

袁文幻  来源:中国青年报  ( 2018年08月08日   11 版)

    这是一张特别的“圣诞卡片”,上面有人类从未看到过的图像。

    上一个圣诞节前,美国康奈尔大学应用与工程物理系的博士生姜毅在电脑上看到它:有的原子像训练有素的士兵围成圆圈,越往中间靠拢,它们的间距就越小。有的原子排列成双,像舞会上的一对对搭档。

    “就像一张有漂亮、对称图案的地毯。”和姜毅同在一个实验组的博士后陈震对中国青年报·中青在线回忆道。

    这是一项新的吉尼斯世界纪录,他们所在的研究团队将电子显微镜成像空间分辨率降低到0.039纳米。也就是说,相距0.039纳米的两个原子,各自的“容貌”都能被清晰辨认。此前,由于它们挨得太近,距离是一根头发丝的250万分之一,所以从来没能被“你是你,它是它”地看清楚。

    为了直观地展示这把“世界上最短的尺子”,他们在观测样品上费了很多心思,最终确定将两片薄薄的单层二硫化钼旋转6.8度叠加,错开的那一点就是这把尺子的长度。单层二硫化钼相当于3层原子摞在一起,厚度仅有0.4纳米。

    姜毅的第一反应是“真的吗”。仔细比对理论模型和眼前的这张图片,姜毅和陈震确定他们成功了。

    他们已经花了近两年时间,所有努力都要小心翼翼。

    一束80千电子伏特的电子束被射击到精心选择的材料上,电压很低,为了保护材料结构不被射击损耗。但它的威力仍不容小觑,射出的速度接近光速的一半。

    经过一系列电磁透镜后,电子被散射在四周。圆柱体的探测器发挥了相机的作用,它要拍得足够快,避免材料移动和损伤。实验团队的这台相机拍出了一秒钟1100张照片的好成绩,并且收集到了所有角度的电子。

    这是领先于过去成像方法的一个重要步骤,以前看不清是因为探测器只收集了一部分散射的电子。此前,在同样的低电压情况下,得到的空间分辨率一般小于0.1纳米。两张图相比,一个线条模糊,一个能看得颗粒分明。

    一阵微风吹来,或手掌轻拍桌面,对纳米尺度的成像来说都是大震动。单电子的灵敏度也要强,打到探测器上要有反应。噪音还要小,研究人员要能准确判断电子的数量。动态范围也要大,它是指光最大值和最小值的比值。就比如相机在晚上拍摄物体,离灯光近的地方亮,暗的地方就看不到了。这台相机要既能拍到光弱的地方,也能拍到光强的地方,获得完整的图像。

    最后,要把“相机”捕捉的所有信号收集起来,用算法在电脑上重构图像。

    这支研究团队由大卫·穆勒教授领衔,研究成果发表在7月18日的《自然》杂志上,来自中国的姜毅和陈震是文章的共同第一作者。

    人类一直在追寻一个古老的问题,“世界是由什么组成的”。但人类的肉眼只能分辨直径大于0.1毫米的物体,“发丝”“针尖”几乎是我们用眼睛能看到的最小的东西。

    有的人仰望茫茫星空,有的人低头寻找可见之物,总有一些人保持着好奇心。

    338年前,荷兰人安东尼·列文虎克被英国皇家学会授予会员,他只是个没读过多少书的布匹商人,只会荷兰文,连用拉丁文写的科学读物都看不懂。但英国皇家学会还是十分惊喜地相中了他。

    因为列文虎克磨制了一块透镜,在下方装一块铜板,再钻一个小孔,这就是一台简易显微镜的雏形。他把手上的皮肤、蜜蜂腿上的毛、蚊子的腿都放到镜片下审视,发现了很多有意思的景象。经过不断改进,他能看到一滴雨水里有许多头部伸出两只角的生物,于是给皇家学会写信道“比全荷兰的人数还多许多”。他还发现了精子。

    以至于几百年后,一个学生物的女孩在网络上对他表白:“亲爱的列文虎克男神,请听我为您带来一首《你是我的眼》,‘因为你是我的眼,让我看见,这世界就在我眼前。’”这位网友小时候央求父亲把单位的显微镜借回家,虽然“又旧又笨重”,但她还是兴奋地把各种叶子、种子和羽毛放到镜头下,“我拥有了微观的世界”。

    如果有心分析诺贝尔奖获得者,也会发现科学家能看到的微观世界越来越丰富了。从1907年开始,已经有22个奖项颁给了与显微有关的技术。科学家看到活细胞,看到蛋白质大分子,看到HIV病毒怎样侵袭人类的T免疫细胞,看到癌细胞如何扩散,也看到钢铁里有雪花一般的树状组织。

    “有些东西完全没有人看到过,我们看到了。”陈震回忆起发现新奇结构时的兴奋。最近他看到原子自然形成的一种像积木的方块和拼图般的造型,如同美术画作。有时他也会“职业病发作”,看到一个物体,并不是看它的颜色和形状,而是像透视一样思考它内部的结构。

    不只是科学家,微观世界的魅力也逐渐散播到普通人中。日本相机制造商尼康已经举办了43届显微世界摄影大赛。从世界各地传来的照片里,海藻正在释放子海藻,像张大嘴吐泡泡的圆脑袋海怪;人类皮肤细胞中的角蛋白结构,经过染色,就像被镶嵌在木盒里的蓝宝石,它也是皮肤癌诊断的标志物;蝴蝶翅膀背面的鳞片,如铠甲一般,中间两条柱显示着力量。它们的拍摄者有教师、医生,还有其他微观世界的爱好者。

    探究生命和自然的奥秘,“看清”是很多工作的第一步。根据陈震介绍,他们的研究应用范围很广,比如在材料领域,石墨烯“可以像一张纸折叠和扭曲,这样得到的新的材料从上方往下方看,视野会被遮住,原子间间距会变小,普通的成像分辨率难以分开”。在生物领域,冷冻电镜解析生物大分子,比如蛋白质的结构如今已经接近可以达到的分辨率的极限,但它还需要被看得更清楚,“我们的方法提供了一个新的方向”。

    另据媒体报道,这项研究也将和康奈尔大学代谢物理中心合作,研究癌症是如何在细胞间发展。19年前,诺贝尔化学奖获得者理查德·斯莫利在美国国会众议院的听证会上介绍纳米科技,他期待纳米级药物可以定向杀死突变的癌细胞,“癌症,将永远成为过去”。那时他正饱受淋巴癌的折磨,脸颊凹陷,头发几乎掉光。

    人们还不知道世界大有多大,小有多小。哈勃望远镜在宇宙130亿光年处拍到了最遥远的星系,它被命名为z8_GND_5296,但这并不是宇宙的边界。1897年汤姆森往阴极射线上加电场和磁场,发现人类第一种基本粒子,打开了微观世界的大门。原子、原子核、介子、夸克、轻子、前子不断被发现,最近也时常有发现新粒子的声音。

    破了空间分辨率的记录后,姜毅和陈震过了一个轻松的圣诞节假期。但他们当时觉得技术还远没有达到理想的状态,他们还想看得更清晰。

袁文幻 来源:中国青年报

2018年08月08日 11 版

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