显微镜与纳米

显微镜与纳米

我们人类被称为万物之灵，能够上天人地，移山填海，能够深入微小世界探秘，这些靠的是什么呢?说起来我们在很多方面不如地球上其他的生物，奔跑我们比不上猎豹，力量我们更是没法和大象相比，可是我们人类拥有发达的大脑，我们懂得去制造工具。正是这些工具弥补了我们的不足，使得我们征服自然的能力大大提高。

人类要认识微小的世界，单单凭借我们的肉眼也是不行的。我们人类能看到的最小的东西大约为0.1毫米，那么我们是如何观察小于0．1毫米的东西的呢?

最早用于探究物质结构的仪器是光学显微镜。光学显微镜最初是由放大镜演变而来的。放大镜实际上就是凸透镜，人们早就知道把凸透镜靠近物体，就可以通过镜片看到放大的物像，这大概是14世纪的事情。16世纪荷兰人杨森偶然通过两块不同的镜片看物体，发现放大效果好得多，于是就发明了显微镜。

这件事发生在16世纪的荷兰不是偶然的，因为当时荷兰的眼镜制造业相当发达，杨森正是一位磨镜片的工人。他的显微镜由透镜组合而成，把两片凸透镜和两片凹透镜各组成一对，凸透镜作为物镜(靠近物体一方的透镜)，凹透镜作为目镜(靠近眼睛一方的透镜)。这是一台很大的显微镜，镜筒的直径有五厘米多，长度有四十几厘米。不过这台显微镜的效果并不是很好，影像歪斜不清，也不能聚光以便清楚地观看物体。

早期显微镜镜片所用的玻璃质量不佳，玻璃里含有气泡，玻璃表面也不光滑，用这种显微镜放大的物体看上去有点模糊。如果使用倍数更大的显微镜来进一步放大物体，物体就变得更加模糊，结果什么也看不清楚。正是因为这个原因，人们往往认为观察微小物体放大镜就够了，显微镜并不比放大镜优越。

英国物理学家胡克在1肋年前后，对显微镜发生了兴趣，亲自制作了一台显微镜，他用这台显微镜，发现了软木的软组织(他给软组织取名为“细胞”，其实他看到的并不是真正的细胞，而是软组织的纤维结构)，并且清楚地观察到了蜜蜂的小刺、鸟羽的细微构造等微小物体。他的显微镜使用了两片凸透镜，原理和现在的显微镜相同。另外，胡克还想出了在物镜下面另外安装凸透镜，用以聚光照亮被观察物体的方法，为了提高放大倍率，胡克进一步使用了近于球形的凸透镜。他的显微镜能清楚地观察以前看不到的微小的物体，例如跳蚤的头部和脚部，所以当时显微镜有一个外号，叫跳蚤镜。1665年胡克写了一本书，名叫《显微图谱》，里面有他根据大量观察所做的素描，显微镜也因此受到科学界的重视。

把显微镜推上科学舞台的科学家中，还有一位叫列文虎克，他也是荷兰人。他把玻璃棒的端部熔化后拉成线状，然后进一步加热做成球形，再把它磨成透镜。他要求玻璃里面一点也不含气泡，玻璃表面必须磨制得非常光滑均匀。他在1671年磨成的第一块透镜尽管直径只有1/8英寸(约3毫米)，但当他通过透镜观察物体时，却发现物体几乎放大了200倍，而且十分清晰。他把透镜放在支架上，做成了一具放大镜。后来又加上一块透镜，放大的倍数更大了，这就构成了显微镜。显微镜在当时已经不是什么新鲜事物，但别人都是把镜片拼凑在一起当作玩物，而列文虎克却有自己的崇高目的，他想用这台新仪器观察看不见的世界。

列文虎克用他的显微镜观察各种小东西，从牙垢到沟中的污水，都成了他的观察对象。他记下了肌肉、皮肤、毛发和牙质的精细结构。从1673年开始，他用荷兰文给英国皇家学会不断写信，报告他的观察实验记录，有时一封信就像是一本小书，他的第一封信就用了一个很长的题目:“列文虎克用自制的显微镜观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录”。当时英国皇家学会对这位无名之辈的报告不很重视，直到1677年按照列文虎克的说法制成了同样大小的透镜和显微镜，证实列文虎克的观察结果之后，才引起了人们的注意。

列文虎克的一系列发现，在生物学史上开辟了一个新的研究领域，这个领域就是微生物学。有了光学显微镜，我们就可以观察到肉眼看不见的细胞，也正是光学显微镜的诞生导致了细胞的发现;从而使人们对自然界的认识发生了一个极大的飞跃。

可是人类要想看比细胞还小的结构，使用光学显微镜就不行了。

为了增加显微镜的放大倍数，在相当长一段时间内，不少人都在玻璃的材料和磨削工艺的改进上动脑筋。但后来发现，如果被观察的物体小于光波波长的1/2时，光线射到它们身上时就会绕过去成不了像。我们知道，光学显微镜是用可见光作为光源的，其波长约为400～770纳米，因此当被观察的物体小于200纳米时，光学显微镜就无能为力了——放大倍数限制在2000倍左右。

所以，要观察更小的物体，就得另外找到一种比可见光的波长更短的光线才行。早在20世纪20年代，法国科学家德布罗义就发现电子束也具有波动性质。所谓电子束，就是许多电子集合在一起，并且以很高的速度向着一个方向运动。进一步的研究表呀，电子束的波长远比可见光的波长短，还不到1纳米。于是，科学家们很自然地想到，如果显微镜用电子束代替可见光做光源，它的分辨能力肯定可以大大提高。

根据这一思路，科学家们终于在1932年研制成功了一种新的显微镜——电子显微镜。在电子显微镜内部，特制一个空心的强力线圈——磁透镜，它相当于光学显微镜中的玻璃透镜，但是，镜筒必须抽成高度真空。同时，由于人眼无法直接看见电子束，因而必须通过荧光屏或照相机的转换。经过不断改进，目前电子显微镜的最高分辨能力已达0.2～0.3纳米，与原子大小差不多了。放大倍数约为30万～40万倍，一根头发丝可以放大到一座礼堂那么大;如果增加磁透镜个数，放大倍数更可高达80万～100万倍。电子显微镜的发明帮助人类进一步打开了微观世界的大门，人们可以看到更小的东西了，包括细胞内各种组成成分，以及只有几十纳米大小的病毒。

电子显微镜虽然威力巨大，可是它的体积往往也很大，价格也非常昂贵，操作很繁琐。有没有可能制造出更加简单有效的显微镜呢?扫描隧道显微镜的发明解决了前面的问题。

扫描隧道显微镜是IBM瑞士苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔于1982年发明的。

宾尼1947年7月出生于德国的法兰克福。其时正值第二次世界大战结束不久，他和小伙伴们常常在废墟中做游戏，当时他并不懂得为什么建筑物会变成那个样子。10岁时，尽管他对物理还不太了解，但已决心要当一名物理学家，等到在学校里真正学到物理时，他大概有点怀疑这一选择了。少年时代的宾尼是一个音乐爱好者，他母亲很早就教他古典音乐，15岁时开始拉小提琴，而且还参加过学校的管弦乐队。

10多年后，当宾尼开始做毕业论文时，才真正感受到物理学的魅力，认识到做物理工作比学习物理更有乐趣他深切地体会到，“做”是“学”的正确途径，在“做”中“学”才能获得真知和乐趣。

1978年，宾尼在法兰克福大学获博士学位。他在做博士论文时参加马丁森教授的研究组，指导教师是赫尼希博士。宾尼对马丁森教授非常佩服，这位教授很善于抓住和表述科学问题的实质。赫尼希博士指导他做实验，非常耐心。

在他的妻子瓦格勒的劝说下，宾尼在完成博士论文后，接受了IBM公司苏黎世研究实验室的聘任，参加那里的一个物理小组。这是非常重要的决定，因为在那里宾尼遇到了罗雷尔。

罗雷尔1933年6月6日出生于瑞士的布克斯，1949年全家迁往苏黎世。他对物理学的倾倒完全属于偶然，因为他原来喜欢古典语文和自然，只是在向瑞士联邦工业大学注册时才决定主修物理。他在学校的4年中受到一些著名教授的指导。1955年，他开始做博士论文，罗雷尔在实验中要用到非常灵敏的机械传感器，往往要在夜深人静时工作。他不辞辛苦，非常勤奋，4年的研究生生活使罗雷尔得到了很好的锻炼。

1961年起，罗雷尔到美国的拉特格斯大学做了两年博士，1963年他回到瑞士，在IBM研究实验室工作。从20世纪70年代末开始他从事反磁体研究，并在研究组组长米勒的鼓励下研究临界现象。此后，他开始与宾尼合作，从70年代末起，一直致力于研制扫描隧道显微镜，这种显微镜就是利用量子力学里面的隧道效应制作的。

1981年，宾尼和罗雷尔等人用铂做了一个电极，用腐蚀得很尖的钨针尖作为另一电极，在两电极间小于2纳米的距离以内，改变钨针尖与铂片之间的距离，测量隧道电流随之产生的变化。结果表明，隧道电流和隧道电阻对隧道间隙的变化非常敏感，隧道间隙即使只变化0.1纳米，也能引起隧道电流的显著变化。

一个非常光滑的样品平面，从微观来看，是由原子按一定规律排列起来的。如果用一根很尖的探针(如钨针)，在距离该表面十分之几纳米的高度上平行于表面进行扫描，那么，由于每个原子都有一定大小，在扫描过程中隧道间隙就会随探针位置的不同而不同，流过探针的隧道电流也就随之而不同，即使是百分之几纳米的高度变化，也能在隧道电流上反映出来。利用一台与扫描探针同步的记录仪，将隧道电流的变化记录下来，即可得到分辨率为百分之几纳米的扫描隧道显微镜图像。

扫描隧道显微镜的发明解开了物理学中的很多问题，使两位科学家获得了1986年的诺贝尔物理学奖，从扫描隧道显微镜的发明到两位科学家因此获得诺贝尔奖，仅仅用了4年的时间，这在诺贝尔奖的历史上是非常罕见的。

扫描隧道显微镜从诞生、发展到现在，还不到20年，它正以旺盛的生命力茁壮成长。继扫描隧道显微镜之后，又有一批根据同一工作原理派生出来的，其他类型的显微镜相继问世，如原子力显微镜(用于非导电材料)、光子扫描隧道显微镜(运用光子隧道效应)，弹道电子发射电子显微镜(能够在纳米尺度上无损探测表面)、摩擦力显微镜(用于纳米尺度上摩擦舟的研究)、磁力显微镜(探测样品磁特性的有力工具)、分子力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描热显微镜等等，总数达十几种之多。人们还进而实现了原子的操纵和加工，用电子的撞击使原子按人的意志做有序的移动或移植，1990年IBM公司的研究人员利用扫描隧道显微镜，把铁原子重新排列成了汉字“原子”的字样。这些进展充分显示了扫描隧道显微镜蓬勃发展的势头和巨大的影响力。

从光学显微镜到电子显微镜，又从电子显微镜到扫描隧道显微镜，一步一步走下去，人们正通向微观世界的幽深处;科学的视野越来越宽广，人类驾驭自然的能力也越来越强，人类在微小世界中将会有更多的发现。