你是我的眼

都說眼睛是心靈的窗戶，當然了你若是鑲了玻璃就更像窗戶了。眼睛同時又是咱們觀察這個世界最重要的手段之一，它最直觀、最敏銳，一度也被認為最真實，所謂眼見為實。當然這一切的一切直到后來出現一個比咱們原裝眼睛更給力的儀器……

小一點!

科學家怪蜀黍告訴咱們地球人的肉眼只可以分辨直徑大于0.073mm的物體，小于該尺度的事物都屬于微觀世界，而不屬于咱們所能見到所熟知的宏觀世界。然而人類向來都是什么做不了就非要做什么的賤骨頭(也有一種說法叫知難而進)。人們非要看看神馬是看不見的微觀世界，看看那個世界是不是也有一種叫做河蟹的動物。但是技術條件限制這座大山一直壓在人們身上，致使人們未能得償所愿。直到13世紀，一個賣眼鏡的商人的小盆友無意中發現通過倆眼鏡片落在一起，可以使撥拔剛給他的小蛋糕變成大蛋糕之后，人們才開始有機會看到微觀的世界。不過那還只是顯微鏡的雛形而已，頂多也只能算是應付孩紙們好奇心的玩具，真正意義的顯微鏡還得是那個不甘寂寞的公務員——列文虎克創造的。列文虎克本來是一位市政廳的看門人，天天和現在不少的公務猿一樣一天無所事事。某年某月的某一天，列文虎克無聊也想弄個放大鏡玩玩，奈何家里不富裕，最終決定自己打磨一個。沒想到打磨的效果還灰常不錯，越打磨越喜歡，公務員都辭了回家鉆研顯微鏡，最終還打磨出了名堂，做出了當時最高水平的顯微鏡。從此之后顯微鏡的放大倍數一個勁兒地往上竄，終于在1500倍左右的時候卡住了。由于人的肉眼對于可見光的感知范圍受到了限制，光學顯微鏡的實際分辨率等于人眼能看到的光的最短波長，因此更加細小的東東，咱們是無法通過光學顯微鏡看到的。從此之后，光學顯微鏡一家獨大的狀況正式結束。

再小一點!

正所謂唯一不變的就是變化本身，有需求才會有發展。既然光學顯微鏡不能擺平更加細小的東東，那么就需要祭出另一種新的顯微鏡來搞定這些小東東。于是電子顯微鏡這棵蔥就一個箭步光榮地竄上了歷史的戲臺子。電子顯微鏡主要分為透刳電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡，前者的原理是以電子束透過樣品經過聚焦與放大后所產生的物像，投射到熒光屏上或照相底片上進行觀察，將顯微鏡的放大倍數提升到了幾萬～百萬倍，而后者則是電子顯微鏡中里程碑式的狠角色。

說起掃描電子顯微鏡，就不能不說說恩斯特·魯斯卡這個童鞋。魯斯卡是一名來自德意志那個山頭的物理民工，在上世紀30年代開始混跡于慕尼黑工業大學時，心中就時常念叨街邊算命大仙告訴他的箴言：出名要趁早。于是他在校期間就開始潛心研究顯微鏡技術，后來又轉校到了柏林工業大學，靠著研究出的《關于電子顯微鏡的磁性鏡頭》一文，拿到了博士學位。不久之后，這家伙又趁熱打鐵搗弄出了樣機。這種電子最微鏡的原理其實與CRT顯像管差不多，同樣是發出極細的陰極射線然后通過一段真空層施加電壓使其發生偏轉，用這條射線對物體表面進行掃描。

當這一束飽含著激情與夢想的高能入射電子轟擊被測物質表面時，被“擊中”的區域就叮咣飛出來二次電子、俄歇電子、特征×射線和連續譜×射線、背散射電子等一堆雜七雜八的東西，還會在可見光、紫外光、紅外光區域產生電磁輻射。這些電子、特征線、電磁輻射再通過特殊的儀器收集匯總。原則上講，利用電子和物質的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學性質的信息，如形貌、組成、晶體結構、電子結構和內部電場或磁場等等，通過處理后就可以在光柵、底片或者顯示器上顯現出來。

這樣的技術在當時可是灰常超前和NB的，而當時在大學里新型顯微鏡研究并不受重視，大學也不把這個當做攻堅項目，所以魯斯卡童鞋很苦逼的既沒有試驗設備又撈不到研發經費。不過精明的商人不會錯過這樣的機會，]937年西門子公司主動向魯斯卡潑出了橄欖油，魯斯卡抹了抹臉上的橄欖油爽快地答應了于西門子的合作。為了能搞成這個東東，西門子也是下了血本，專門成立了一間研究所讓魯斯卡童鞋盡情地搗鼓。心中信念堅定的魯斯卡也很給力，兩年后就讓西門子造出了能夠量產的“西門子一超顯微鏡”。雖然掃描電子顯微鏡在上世紀30年代之后逐漸成為了電子顯微鏡的主流，但是這玩意兒類似于CRT顯示器的原理造成了它對被觀測物要求極高。首先一條就是片要切得薄，否則口感就不好，哦不，否則觀測效果就不好，所以現在一般都是使用特定的儀器對待測物先進行十分精細的切割；再者由于儀器是在真空環境下進行觀測，被測物還不可以是活物，就算是活物進去也得被秒殺掉。所以用這種電子顯微鏡觀察的東東，不是掛了的，就是切過的。看個生銹的真相還好，可看不了生命的真相。

更小一點

難道就沒有對切片要求低一些的顯微鏡了么?難道就非要破壞一個標本的完整性才能一窺全貌么?答案是否定的，科學民工們從1957年開始對掃描電子顯微鏡進行改良，終于在1978年試驗成功。共聚焦激光掃描顯微鏡就此誕生。首先為什么切片要做得薄觀測效果才好呢?一是薄一些有利于光穿過切片，二是因為如果做厚了就好像一個身材妖嬈的MM穿了N件衣服，奈何你火眼金睛電看不出其中玄機。但是自從這個所謂共聚焦激光掃描顯微技術誕生之后，從此媽媽再也不用擔心我做的切片，想切多厚切多厚，S。easy!看妹子，噢不，看切片標本就不用那么麻煩的了，它與掃描電子顯微鏡的主要不同在于其光學分層能力，即獲得特定深度下焦點內的圖像。圖像通過逐點采集，以及之后的計算機重構而成，因此它可以重建拓撲結構復雜的物體。簡單說，它升級了掃描電子顯微鏡的數據收集處理部分，因而能區分來自樣品不同深度的信息。掃描電子顯微鏡只能“看”到所有能被光透射到的地方，而對于共聚焦顯微鏡，只要焦點處能到達的地方的信息都可以被采集。實際上共聚焦激光掃描顯微是通過對焦點深度的控制和高度限制來實現的。可以將本來比較厚的材料一層一層地進行仔細、深入的觀察，就好比還是剛才那個MM，羽絨服、襯衣神馬的一件一件……咳咳，可是一個標本雖然被放大了N倍，但其中還是有區分的，總有一些是你想要的部分，就好比迎面走來一群環肥燕瘦的MM總有一種類型是你要選擇的。(喂，你就沒有別的例子TA?)怎么樣將這些物質區分開呢?這就要用到熒光標記，只要使用對應的熒光劑，它們就亮了。雖然有著強大的優勢和后續升級版，但掃描電子顯微鏡已經到了放大倍數很難再提升的時候，這意味著沒有多久這貨也要out了。而且和電子顯微鏡一樣，它也是有分辨率瓶頸的，顯然新的顯微鏡即將閃亮登場。

從掃描電子顯微鏡手里生拉硬拽搶來接力棒的家伙叫做隧道掃描顯微鏡，這玩意兒是由大嬸級公司IBM的蘇黎世實驗室搞出來的(話說IBM前些天剛剛過了百天，噢不，是一百周年)。隧道掃描顯微鏡采用了顛覆性的技術，與掃描電子顯微鏡最大的不同就是不再是在真空中用陰極射線來對物體進行掃描，如此一來就不必非要觀測無生命的物體了，科技以活著為本。隧道掃描顯微鏡還完全放棄了以前的用眼看、用光掃描的技術，而是用尖端只有一個原子的探子，通過探針上的電子產生的隧道效應，來對物體表面進行掃描。可以理解成用一根特殊的探針在待測物體表面“摸”過，這不過不是真正的接觸到，而是進行微距的“低空滑翔”。正是因為這一點，電子顯微鏡再也不是放大多少倍，而是直接到達了原子級別的分辨率。

測量的時候金屬針尖為一電極，被測固體樣品為另一電極，當他們之間的距離小到1nm左右時，針尖電子會跳到待測物體表面上形成穿隧電流，就會出現隧道效應。同時，物體表面的高低會影響穿隧電流的大小，針尖隨著物體表面的高低上下移動以維持穩定的電流，以此來觀測物體表面的形貌。這種儀器可隊觀察到物體表面的納米結構，是顯微鏡技術的一大飛躍，也成為往后納米技術中的主要分析工具，專門用來觀測金屬或半導體的表面。此外隧道掃描顯微鏡在低溫下(4K：-269.15℃)可以利用探針尖端精確操縱原子，仿佛在玩納米級別的積木游戲，因此它在納米科技既是重要的測量工具又是加工工具。IBM還就來了這么一個低調的亮騷，在一塊銅版上，用原子擺成了“IBM”仨字母，來了一次地球上最小，但是影響力最大的廣告。話說做完NB廣告的IBM也木有驕傲，接著針對隧道掃描顯微鏡進行了改良，首先懈決它的缺點。因為要產生隧道效應，所以待測物必須是導體，否則就無法進行測量。而IBM改良出的原子力顯微鏡則是利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細探針與受測樣品原子之間的作用力，從而達到檢測的目的，同樣具有原子級的分辨率。原子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體，甚至在液體環境下也可以良好的工作，從而彌補了隧道掃描顯微鏡的不足，同時測繪出的還是三維表面圖。然而缺點也是顯而易見的，這種過于精細的工程必然導致成像速度慢，成像范圍小。

后來，搞定隧道掃描顯微鏡的格爾德。賓寧和海因里希·羅雷爾童鞋得到了1986年的三文魚物理學獎。同時，由于魯斯卡童鞋在年輕的時候就已經搞定了電子顯微鏡的基本原理，所以50多年后也將獎頒發給了他老人家。等了50多年老人家終于等到了三文魚物理學獎，雖然這魚都有點餿了，但一個聲音還在耳邊回蕩：“出名要趁早”。兩年后老爺子就安心地走了，彌留之際還囑咐把自己精心制作的顯微鏡捐獻給英國皇家學會。幸虧不是捐給國內某慈善組織呀，要不老爺子都不能瞑月啊。

在未來咱們還將發明和使用更多更好用的顯微鏡，顯微鏡的誕生為咱們又打開了一扇觀察世界的窗，帶咱們進入了那個人類向往了幾個世紀的微觀世界，在那里咱們看清了細胞長什么樣，它們都是怎么工作的，看清了元素是怎樣組成物質的。還為咱們展示了納米材料的魅力。