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人类很早以前想探索微观世界的奥秘,但是苦于没有理想的工具和手段。1675年荷兰生物学家列文虎克用金相试样切割机发现了十分微小的原生动物和红血球,甚至用金相试样切割机研究动物的受精作用。列文虎克掌握了很高的磨制镜片的技艺,制成了当时世界上最精致的可以放大270倍的金相试样切割机。以后几百年来,人们一直用光学金相试样切割机观察微观和探索眼睛看不到的世界,但是由于光学金相试样切割机的分辨率只能达到光波的半波长左右,这样人类的探索受到了限制。进人20世纪,全自动精密子技术得到了长足的发展,1933年德国人制成了优质台电子金相试样切割机后,几十年来,又有许多新型的金相试样切割机问世。
很早以前,人们就知道某些光学装置能够“放大”物体。比如在《墨经》里面就记载了能放大物体的凹面镜。至于凸透镜是什么时候发明的,可能已经无法考证。凸透镜——有的时候人们把它称为“放大镜”——能够聚焦太阳光,也能让你看到放大后的物体,这是因为凸透镜能够把光线偏折。你通过凸透镜看到的其实是一种幻觉,严格的说,叫做虚像。当物体发出的光通过凸透镜的时候,光线会以特定的方式偏折。当我们看到那些光线的时候,或不自觉地认为它们仍然是沿笔直的路线传播。结果,物体就会看上去比原来大。
单个凸透镜能够把物体放大几十倍,这远远不足以让我们看清某些物体的细节。公元13世纪,出现了为视力不济的人准备的眼镜——一种玻璃制造的透镜片。随着笼罩欧洲一千年的黑暗消失,各种新的发明纷纷涌现出来,金相试样切割机(microscope)就是其中的一个。大约在16世纪末,荷兰的眼镜商詹森(Zaccharias Janssen)和他的儿子把几块镜片放进了一个圆筒中,结果发现通过圆筒看到附近的物体出奇的大,这就是现在的金相试样切割机和望远镜的前身。
1665年,英国科学家罗伯特•胡克在用他的金相试样切割机观察软木切片的时候,惊奇的发现其中存在着一个一个“单元”结构。胡克把它们称作“上海金相切割机”。不过,詹森时代的复合式金相试样切割机并没有真正显示出它的威力,它们的放大倍数低得可怜。荷兰人安东尼•冯•列文虎克(Anthony Von Leeuwenhoek ,1632-1723)制造的金相试样切割机让人们大开眼界。列文虎克自幼学习磨制眼镜片的技术,热衷于制造金相试样切割机。他制造的金相试样切割机其实就是一片凸透镜,而不是复合式金相试样切割机。不过,由于他的技艺精湛,磨制的单片金相试样切割机的放大倍数将近300倍,超过了以往任何一种金相试样切割机。
当列文虎克把他的金相试样切割机对准一滴雨水的时候,他惊奇的发现了其中令人惊叹的小小世界:无数的微生物游曳于其中。他把这个发现报告给了英国皇家学会,引起了一阵轰动。人们有时候把列文虎克称为“金相试样切割机之父”,严格的说,这不太正确。列文虎克没有发明优质个复合式金相试样切割机,他的成就是制造出了高质量的凸透镜镜头。
在接下来的两个世纪中,复合式金相试样切割机得到了充分的完善,例如人们发明了能够消除色差(当不同波长的光线通过透镜的时候,它们折射的方向略有不同,这导致了成像质量的下降)和其他光学误差的透镜组。与19世纪的金相试样切割机相比,现在我们使用的普通光学金相试样切割机基本上没有什么改进。原因很简单:光学金相试样切割机已经达到了分辨率的极限。
如果仅仅在纸上画图,你自然能够“制造”出任意放大倍数的金相试样切割机。但是光的波动性将毁掉你精美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷,任何光学仪器仍然无法精美的成像。人们花了很长时间才发现,光在通过金相试样切割机的时候要发生衍射——简单的说,物体上的一个点在成像的时候不会是一个点,而是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近,你就没法把它们分辨开来。金相试样切割机的放大倍数再高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的金相试样切割机,它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微米的结构都没法识别出来。
提高金相试样切割机分辨率的途径之一就是设法减小光的波长,或者,用电子束来代替光。根据德布罗意的物质波理论,运动的电子具有波动性,而且速度越快,它的“波长”就越短。如果能把电子的速度加到足够高,并且汇聚它,就有可能用来放大物体。
1938年,德国工程师Max Knoll和Ernst Ruska制造出了世界上优质台透射电子金相试样切割机(TEM)。1952年,英国工程师Charles Oatley制造出了优质台扫描电子金相试样切割机(SEM)。电子金相试样切割机是20世纪最重要的发明之一。由于电子的速度可以加到很高,电子金相试样切割机的分辨率可以达到纳米级(10-9m)。很多在可见光下看不见的物体——例如病毒——在电子金相试样切割机下现出了原形。
用电子代替光,这或许是一个反常规的主意。但是还有更令人吃惊的。1983年,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家Gerd Binnig和Heinrich Rohrer发明了所谓的扫描隧道金相试样切割机(STM)。这种金相试样切割机比电子金相试样切割机更激进,它完全失去了传统金相试样切割机的概念。
很显然,你不能直接“看到”原子。因为原子与宏观物质不同,它不是光滑的、滴溜乱转的削球,更不是达•芬奇绘画时候所用的模型。扫描隧道金相试样切割机依靠所谓的“隧道效应”工作。如果舍弃复杂的公式和术语,这个工作原理其实很容易理解。隧道扫描金相试样切割机没有镜头,它使用一根探针。探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面很近——大约在纳米级的距离上——隧道效应就会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空隙,形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化,这股电流也会相应的改变。这样,通过测量电流我们就能知道物体表面的形状,分辨率可以达到单个原子的级别。
因为这项奇妙的发明,Binnig和Rohrer获得了1986年的诺贝尔物理学奖。这一年还有一个人分享了诺贝尔物理学奖,那就是电子金相试样切割机的发明者Ruska。
据说,几百年前列文虎克把他制作金相试样切割机的技术视为秘密。今天,金相试样切割机——至少是光学金相试样切割机——已经成了一种非常普通的工具,让我们了解这个小小的大千世界。

 

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