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美國科學家近日制造出了第一臺四維電子顯微鏡,能夠用來觀察原子尺度物質結構和形狀在極短時間內所發生的變化。科學家用它拍攝了金和石墨原子的活動。相關論文發表在11月21日的《科學》(Science)雜志上。
該項研究由1999年諾貝爾化學獎得主加州理工學院教授Ahmed Zewail領導完成。Zewail表示,給運動中的分子"拍照"為我們提供了時間維度信息,但無法了解空間維度相關信息。
Zewail和同事用他們發明的"攝影術"觀測了超薄金箔和石墨層的原子行為。石墨由許多碳原子層組成,在飛秒時間級中,這些原子會進行獨特而一致的運動。但是研究人員發現在稍微長一些的時間級——皮秒中,石墨納米層(nanosheets)能發出聲波,研究得到的四維影像展現了這一過程。
Zewail表示:"這一全新的四維觀測技術可以非常直觀、清晰易懂地表現引發物質結構、形態、納米運動現象的原子級別的變化。"Zewail與加州理工生物學副教授Grant Jensen目前正在合作,試圖將這一觀測手段引入細胞內生物成像領域。
研究小組關于此項進展的第二篇論文發表在《納米快報》(Nano Letters)上,Zewail和同事在這篇論文中描述了納米厚度石墨層在更長時間——長達千分之一秒——中是如何變化的。
用電子顯微鏡科學家可以得到分辨率十億分之一米以上的物體三維靜態結構,由于電子速度越快,其波長越小,所以一般都會把電子加速到極高速度。但光有電子是無法同時在空間和時間尺度上觀測原子行為的。科學家必須小心地控制電子,以使其在特定的時間間隔到達樣本。Zewail和同事通過精確地控制電子,成功地在高分辨率電子顯微方法中引入了第四維——時間。
圖片說明：用四維電子顯微鏡來顯示納米鼓動現象。
（圖片來源：Nano Letters; images and diagram produced at Caltech
加州理工化學與化學工程學院院長David Tirrell說:"這一技術生成的系列圖像是非凡的,不僅提供了前所未有的觀察分子和材料行為的手段,還使得從時間和空間尺度上直接觀察復雜的結構變化成為可能,這一成果將使我們找到理解分子和材料的根本性的新方法。"
劍橋大學著名電子顯微術專家John Thomas說:"這一發明及其應用是如此具有革命性意義,從此無數物理和生物科學的探索將得以開展。"
加州理工學院教務長Edward M. Stolper表示:"觀測手段的提高對多個科學和技術領域的進展都有重要意義,Ahmed的這一開創性工作將領導新的科學和技術前沿。"(科學網 徐青/編譯)
(《科學》(Science),Vol. 322. no. 5905, pp. 1227 – 1231,Brett Barwick,Ahmed H. Zewail)
(《納米快報》(Nano Letters),8 (11), pp 3557–3562,Oh-Hoon Kwon,Ahmed H. Zewail)
關鍵詞：四維,電子顯微鏡,科學家
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