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2018-10-01改良電子顯微鏡 展示量子世界不可思議的細節
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【本刊訊】研究用設備不斷推陳出新，穿透式電子顯微鏡（transmission electron microscope）的發明令人讚嘆不已，科學家除可透過其發射的電子束看到許多型態的病毒，也可拿來觀察核糖體（ribosomes）或粒線體（mitochondria）等細胞，甚至還能看到單一的原子。然而，近期一刊登於Nature的研究提出一款新型顯微鏡，全新功能首度解鎖！康乃爾大學（Cornell University）物理學家穆勒（David Muller）形容這個「超展開」就有點像上一秒大家還在坐雙翼機，下一秒卻已在搭乘噴射客機了。
這台顯微鏡的第一項重大突破，就是產生迄今為止解析度最高的圖像，即利用特殊鏡頭讓電子束有更好的聚焦效果，有點像為顯微鏡戴上「眼鏡」。此外，研究團隊還開發了一種「超感相機（super-sensitive camera）」，其能快速定位單一原子，如研究中展示的鉬–硫原子鍵結圖像（意即該圖層僅2個原子厚），甚至還能辨識化學鍵長度一半——0.4埃（Å，長度計量單位）的距離，連材料在重複樣式下缺少硫原子所產生的間隙也一覽無遺。
超感相機讓人們能看見以前無法輕易看到的東西，穆勒聲稱，從事該領域的許多人也都希望自己的設備能裝上它。高解析度的圖像仰賴較短的波長，就好比越細的針可以刺出更細緻的圖案；由於因量子力學產生的波狀特性，使電子的波長較可見光短上1000倍，其放大圖像的效果也更好，即使對電子而言近乎透明的材料，如鋰這種較輕的原子，也能利用這項技術成像，協助科學家改善鋰電池的原子細節。此外，反映材料內部的電場與磁場也成了新式鏡頭的另一賣點，俄勒岡大學（University of Oregon）物理系研究生亞辛（Fehmi Yasin）表示，該技術能從電子中挑出更多訊息。
針對比細菌小的奈米粒子進行研究，加州大學物理學家史考特（Mary Scott）同樣也受惠於這項新發明。2017年時，史考特與其研究團隊嘗試在銀和鉑的奈米粒子中，繪製2萬3千個原子的確切位置，以了解單一原子對材料特性（如強度、導電性等）的影響；然而，如今有了這款穿透式電子顯微鏡，模型構建與材料特性檢測將不再需要經歷這種艱辛的過程。史考特表示，除了材料本身的研究，該實驗的最終目是打造原子版的「樂高積木」，好讓人們能隨心所欲製造新穎的材料。原子的組成與結構若稍有改變，便會影響材料的功能，史考特認為新式顯微鏡能協助他們了解原子相繫的原因與機制，進而讓材料重塑的理想被實現。
新聞來源
Sophia Chen, New microscope shows the quantum world in crazy detail, WIRED, https://bit.ly/2DmtwNw, 2018