探索微觀世界

莫冰

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，人類對(duì)宇宙的探索越來(lái)越向更宏觀和更微觀的兩極發(fā)展，由此衍生了行星科學(xué)和納米科學(xué)。“中國(guó)天眼”FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope）將我國(guó)的空間測(cè)控能力由地球同步軌道延伸至太陽(yáng)系外緣，然而我們?cè)谧非蟆翱础钡酶吒h(yuǎn)的同時(shí)，還要進(jìn)入微觀世界瞧一瞧，不僅要看得到，還要看得清。

見(jiàn)微知著

為何許多領(lǐng)域的研究人員執(zhí)著于“看”清越來(lái)越小的微觀世界？一方面，當(dāng)物質(zhì)的尺寸進(jìn)入納米尺度（<100納米），其性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大變化，常具有獨(dú)特的光學(xué)、電子或機(jī)械性能。以黃金為例，納米金顆粒不再金光閃閃，不同粒徑可呈現(xiàn)紅色或藍(lán)色。與固體黃金不同，納米金顆粒是一種非常重要的免疫標(biāo)記物，是基礎(chǔ)研究和實(shí)驗(yàn)中的重要工具。另一方面，微觀現(xiàn)象有助于理解宏觀過(guò)程，進(jìn)入微觀世界才能從本質(zhì)上理解宏觀世界，正所謂“眼見(jiàn)為實(shí)”。研究人員發(fā)現(xiàn)在Apollo返回的月壤樣品中廣泛存在著納米金屬鐵，這是月壤與地球土壤最主要的區(qū)別。研究月壤中的納米鐵不僅有助于理解月表的太空風(fēng)化過(guò)程及演化歷史，其存在對(duì)月壤性質(zhì)的改變還對(duì)正確解譯遙感數(shù)據(jù)乃至開(kāi)展月球探測(cè)工程具有非常重要的意義。

“微”有可觀

光學(xué)顯微鏡的發(fā)明打開(kāi)了人類通往微觀世界的大門。自16世紀(jì)末顯微鏡發(fā)明起，人類陸續(xù)觀察到血液循環(huán)、細(xì)胞以及細(xì)菌、寄生蟲等微生物，形成了許多顯微生物學(xué)基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)，豐富多彩的微觀世界也隨之進(jìn)入人們的視野。人類之所以可以在探索未知的道路上不斷前行，是因?yàn)榛A(chǔ)理論研究的不斷完善和技術(shù)人員對(duì)制造工藝的精益求精。在19世紀(jì)末，光學(xué)顯微鏡的分辨率已經(jīng)達(dá)到0.2微米的理論極限1，成為了名副其實(shí)的科學(xué)工具，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、材料科學(xué)等很多學(xué)科的發(fā)展過(guò)程中都起到了不可替代的作用。

然而，人類從不甘于被“極”所限，被突破似乎就是極限的宿命。不同領(lǐng)域的研究人員對(duì)突破顯微鏡分辨率極限的執(zhí)著和鉆研，成就了電子顯微鏡和超分辨率光學(xué)顯微鏡的問(wèn)世與發(fā)展，人類終于走進(jìn)了納米世界。

“納米級(jí)”世界

電子顯微鏡的誕生得益于量子力學(xué)和電子光學(xué)的發(fā)展。1923年，德布羅意（Louis de Broglie）首先提出了電子的波粒二象性，加之電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的研究和電子透鏡的出現(xiàn)，電子顯微鏡的誕生水到渠成，1931年歷史上第一臺(tái)電子顯微鏡問(wèn)世。與各種新生事物的發(fā)展規(guī)律一致，電子顯微鏡在一路曲折中前進(jìn)，如今的球差校正透射電子顯微鏡已具有超高分辨率，可以獲得清晰的原子像。電子顯微鏡已不僅僅是一臺(tái)超級(jí)放大鏡，在配合其他探測(cè)器的情況下，樣品的成分、結(jié)構(gòu)乃至元素的化學(xué)態(tài)信息應(yīng)有盡有。電子顯微鏡早已成為醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、礦物學(xué)乃至行星科學(xué)領(lǐng)域必不可少的科研工具。

超分辨率光學(xué)顯微鏡的理論于1994年被史蒂芬·赫爾（Stefan W. Hell）提出并最終于2000年實(shí)現(xiàn)，其團(tuán)隊(duì)利用受激發(fā)湮滅（STED）熒光顯微技術(shù)成功打破衍射極限，將光學(xué)顯微鏡的分辨率極限拓展至納米尺度，使人類看清了生物單分子。這一突破為赫爾贏得了2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。同年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者埃里克·本茨格（Eric Betzig）和威廉· 默爾納（William E. Moerner）同樣為超分辨光學(xué)顯微鏡的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。前諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席斯文·利丁（Sven Lidin）對(duì)三人的成就如此解釋：傳統(tǒng)化學(xué)研究的是大量的分子及其宏觀效應(yīng)，現(xiàn)在我們能夠看到單個(gè)分子在化學(xué)系統(tǒng)里的活動(dòng)，這意味著化學(xué)反應(yīng)可以在發(fā)生的過(guò)程中被研究，而不只是能看到最終產(chǎn)物。

人類在微觀世界的探索之旅，皆是對(duì)“眼見(jiàn)為實(shí)”的鍥而不舍。總有人在為突破極限苦苦追尋、不懈努力，顯微鏡的發(fā)展前景可待，未來(lái)可期，微觀世界有更多精彩等待發(fā)現(xiàn)，讓我們一起拭目以待吧！