美國科學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)和形狀在極短時間內(nèi)所發(fā)生的變化。科學(xué)家用它拍攝了金和石墨原子的活動。相關(guān)論文發(fā)表在11月21日的《科學(xué)》(Science)雜志上。
 
該項(xiàng)研究由1999年諾貝爾化學(xué)獎得主加州理工學(xué)院教授Ahmed Zewail領(lǐng)導(dǎo)完成。Zewail表示,給運(yùn)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(guān)信息。
 
Zewail和同事用他們發(fā)明的"攝影術(shù)"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(jìn)行獨(dú)特而一致的運(yùn)動。但是研究人員發(fā)現(xiàn)在稍微長一些的時間級——皮秒中,石墨納米層(nanosheets)能發(fā)出聲波,研究得到的四維影像展現(xiàn)了這一過程。

Zewail表示:"這一全新的四維觀測技術(shù)可以非常直觀、清晰易懂地表現(xiàn)引發(fā)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、納米運(yùn)動現(xiàn)象的原子級別的變化。"Zewail與加州理工生物學(xué)副教授Grant Jensen目前正在合作,試圖將這一觀測手段引入細(xì)胞內(nèi)生物成像領(lǐng)域。
 

研究小組關(guān)于此項(xiàng)進(jìn)展的第二篇論文發(fā)表在《納米快報(bào)》(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(dá)千分之一秒——中是如何變化的。

用電子顯微鏡科學(xué)家可以得到分辨率十億分之一米以上的物體三維靜態(tài)結(jié)構(gòu),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(xué)家必須小心地控制電子,以使其在特定的時間間隔到達(dá)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。

加州理工化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院院長David Tirrell說:"這一技術(shù)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)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(xué)著名電子顯微術(shù)專家John Thomas說:"這一發(fā)明及其應(yīng)用是如此具有革命性意義,從此無數(shù)物理和生物科學(xué)的探索將得以開展。"
 
 
加州理工學(xué)院教務(wù)長Edward M. Stolper表示:"觀測手段的提高對多個科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展都有重要意義,Ahmed的這一開創(chuàng)性工作將領(lǐng)導(dǎo)新的科學(xué)和技術(shù)前沿。"(科學(xué)網(wǎng) 徐青/編譯)
 
(《科學(xué)》(Science),Vol. 322. no. 5905, pp. 1227 – 1231,Brett Barwick,Ahmed H. Zewail)
 
(《納米快報(bào)》(Nano Letters),8 (11), pp 3557–3562,Oh-Hoon Kwon,Ahmed H. Zewail) 

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