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3不到长城非好汉---突破纳米极限的电子显微镜97 4今朝更好看---百花齐放的商业电镜时代137 5敢教日月换新天---透射电子显微镜的设计及工作原理171 6俏也不争春---扫描电镜小兄弟207 7欲与天公试比高---高分辨电子显微术的发展之路225 8今日长缨在手---屡立奇功的电子显微镜297 9无限风光在险峰---可移动原子的扫描隧道显微镜337 结语381 后记383 致谢386 参考文献387 作者简介396 译名索引397 编后记403 內容試閱： 第1章 往事越千年——人类视觉的延伸 显微镜现在是无人不知，无人不晓，但它究竟是谁出于什么目的发明出来的？荷兰的一个个体户凭什么当上了大英帝国的皇家学会会员？一个德国小作坊凭借着什么变成了家喻户晓？让我们走进第2章，去追寻重重谜底。 第2章 风景这边独好——突破微米极限的光学显微镜 在眼镜发明之后，人类又用了约300年的时间于16世纪末发明了光学显微镜。至19世纪末，光学显微镜的分辨率被推至极限的0.2微米，实现了真正意义上的明察秋毫。丰富多彩的微观世界的大门被打开了。风景这边独好。显微镜发明第一人的荣誉是给予了荷兰眼镜制造商詹森，但真正使显微镜名垂青史的却是另一位荷兰人列文虎克。作为个体户的他采用独家秘法自制过数百个只有钥匙大小的显微镜，但分辨率却奇高。用它们观察周围事物，真是一花一世界，滴水纳乾坤。英国皇家学会派人亲赴荷兰来个眼见为实，列文虎克就此被公认为发现微观世界第一人。这个时期，很多大科学家都用显微镜做出了出色的发现，英国皇家学会成员胡克对光学的研究连牛顿都深表佩服。胡克最著名的工作之一是他对软木的微观结构的研究和他绘制的纤毫毕现的跳蚤图像。但是光学显微镜制造虽然日臻完美，却存在一个无法逾越的分辨率极限。阿贝发现这个分辨率是无法突破的物理极限，但两百年来，一直有人在想方设法绕过这个物理极限。2014年的诺贝尔化学奖授予打破物理极限的超分辨率荧光显微镜的发明。中国人对诺贝尔奖敏感，一夜之间还出了瑜亮情节的微词。要想取得远远更高于光学显微镜的分辨能力，肯定需要一种全新的仪器。电子显微镜应运而生，正好接下光学显微镜的火炬，从观察微观世界向探索更加神秘的原子世界进一步迈进。 那么电子和显微镜到底有什么关系？是什么机缘巧合又是多少大师的风云际会才孕育出电子显微镜？电子显微镜为什么竟然能使人亲眼看见原子？这么神奇的电子显微镜为什么问世超过半个世纪才获诺贝尔奖？种种疑问都将在第3章逐一揭晓。 第3章 不到长城非好汉——突破纳米极限的电子显微镜 时间进入20世纪20年代。在1923至1928年间，相继问世了多项重量级的科学发现包括X射线、电子的波粒二相性理论、薛定谔方程、电磁场对电子束的透镜聚焦效应，以及电子衍射效应，奏响了人类发明电子显微镜的序曲。电子显微镜的发明工作就在这样的一个新物理思想火花四溅、新实验技术层出不穷的时代悄然开始了。受1929年第一台改制仪器基本成功的鼓舞，德国柏林高工的诺尔和鲁斯卡二人再接再厉，于1931年成功制造出了历史上第一台真正意义上的电子显微仪器。但是电镜的专利权却意外旁落，后来甚至还引发了电镜发明优先权的争夺大战。要不是鲁斯卡长寿的话，电子显微镜最终是无法获得诺贝尔奖的。诺尔离开柏林高工后，形单影只的鲁斯卡靠父母给与的经济援助独力完成了第二版电镜的设计与制造，为现代电镜的发展铺平了道路。1937年西门子公司斥巨资为鲁斯卡建立了电子光学实验室，用来发展‘西门子超级显微镜’，西门子公司系列电镜1939年成功亮相。随着电镜在材料研究应用方面的普及，涌现出诸多电子显微学研究重地及学派如德国、英国和澳大利亚学派等。“二战”后电镜应用的广泛开展得利于电镜商品化的推动，而电镜的商品化也在电镜的实际应用过程中经受着市场的考验，这其中的故事可以归纳为：几家欢乐几家愁。 是什么原因竟然导致老牌的电镜厂商和美国的公司黯然退出电镜市场？大浪淘沙之下哪些公司能够至今屹立不摇？日本的电镜事业凭借什么迅速崛起雄霸市场半壁江山，一度横扫电镜市场？艰难环境中成长的中国电子显微学会在加入国际大家庭时遭遇了什么样的难题？读完接下来的第4章便可见分晓。 第4章 今朝更好看——百花齐放的商业电镜时代 在电镜的商业化初始过程中，有两家公司功劳很大。一家为德国西门子公司，而另一家则为美国无线电公司（RCA）。飞利浦公司的商业电镜之路是从1939年与荷兰代尔夫特高工合作开始的，与飞利浦电镜并立于世的是日本公司，第一款商业电镜于1942年推出，并于1949年商业化。在电镜发明及进步迅猛的20世纪30和40年代，中国正经历着战乱，错过了这场世纪科技盛会，1960年代开始发愤图强，自制透射电镜。为了赶着国庆节献礼，中国的科研人员组成的研制组以72天惊人的速度，在8月19日凌晨2：45得到第一张电子显微像。日本在电镜领域的崛起始自1939年，研发工作是由一个特殊的组织领导的。菅英治在1940年展示了他的电镜外观照片后，两个月后美国就报道了“日本有了电子显微镜”。在“二战”后期的炮火纷飞中，日本公司的研究人员竟然顶着钢盔堆着沙袋坚持电镜研发。最后大浪淘沙优胜劣汰的结果是，日本公司包揽了商业电镜本土的全部市场以及至少一半的国际市场。 电镜的研发和商业化道路如此千折百回、波澜壮阔，有其发展的理论和技术制约的。看似简单的电子发射枪、电磁透镜、物镜，是否一拼凑就可以做成精密的仪器呢？电子显微镜到底是个什么构造？它与光学显微镜到底有什么不同？电镜设备最大的局限是什么又是如何克服的呢？请看第5章。 第5章 敢教日月换新天——透射电子显微镜的设计及工作原理 电子显微镜的工作原理与我们常见的幻灯机原理大体相同，只是将幻灯机光源换成电子源。在二者的光路图中，照明源发出的光线或电子束由聚光镜调节后，成平行射线入射幻灯片或样品后射出，经由物镜后投影成像。当然，一台真正的电子显微镜要比幻灯机复杂多了，外观也大不一样。单以尺寸而言电子显微镜与第2章中介绍的光学显微镜相比堪称是巨人级仪器。电镜的主体部分是一个立式全封闭镜筒，电子束从位于镜筒内顶部的电子枪发出，沿镜筒向下传播，穿透样品后，使样品成像于镜筒下方的荧光屏。操纵者坐于电镜台前，可由镜筒下方的玻璃窗口观看成像，然后可将成像记录于荧光屏下面的照相底片上。电子束穿透样品而成像，正是透射电子显微镜名称的由来。经过先后几代人的不懈努力，至1960年左右无论在设计上、理论上、应用上、还是多功能开发上都已大体完成，在小小的电镜样品室里甚至还可以进行实时、活体、原子分辨率观察。所有的框架已经立好，以后的发展基本上都是在这个框架里面进行的。不过伴随着透射电镜早期的发展，时而也会迸出些异类的思想火花。其中大家已经十分熟悉的透射电镜发明人及先驱诺尔和阿登纳就曾有意无意地开辟了另一条战线，在如透射电镜般历经了曲折的30年左右的时间后，也终于孵化出了今天遍布全球的另一类电子显微镜，扫描电子显微镜。这项成功，应该说还是始于德国但却功在他国。 要知诺尔和阿登纳各自的目标做过了哪些铺垫？绝顶聪明如阿登纳者为什么离成功止于一步之遥？是谁毕10年之功孵化扫描电镜产品？又为何有人相信最多10台扫描电镜就能使市场达到饱和？且听下回分解。 第6章 俏也不争春——扫描电镜小兄弟 1931年诺尔和鲁斯卡发明的电镜是所谓的透射电镜，但扫描透射电镜的特点是使用会聚成细点的电子束斑在样品表面扫描。还是那位诺尔又首先发明了电子扫描仪，但他并没有明确提出扫描电镜的概念。所以诺尔这人也挺有意思，他既是透射电镜的发明人之一，严格来说又是扫描电镜的鼻祖，可是两头都是只开花没结果。特意说明他在两种电镜上的早期贡献，算是向诺尔致敬。这些先驱性的扫描透射电镜和扫描电镜研发工作发表之后，由于战争及种种技术条件限制没有能够引起更多科学家的广泛兴趣。倒是没有沉寂多久，五六年之后，剑桥大学的奥特利正在重新审视扫描电子显微镜的价值。奥特利刚开始时没有多少科研经费，他划拉来一堆“二战”时剩下的战备材料，系里还有个不错的机械加工车间，这就是他的全部资源了。奥特利的剑桥组花了10多年的时间，经过首建加上4次升级终于将扫描电镜从最初的基本概念型发展成实用且低成本的电镜，同时分辨率进步到10纳米。在此期间，奥特利脑子里一直念念不忘的就是要把扫描电镜推向市场并为此努力了很多年。市场专家经过一番调查后回来汇报，估计应该能卖个10台市场可能也就饱和了，因为当时透射电镜分辨率都在1~5纳米，10~20纳米的扫描电镜尽管价格便宜但没人想要。最终，扫描电镜在奥特利的10多年不懈研发和多番力促之下终于通过剑桥科学仪器公司于1965年走向市场，电子显微镜二分天下的格局就此形成。 两类电镜都有一个共同的核心目标，那就是显微分辨率。分辨率的提高必须要减小物镜球差或提高加速电压。在下一章里，将主要说一说在高分辨率电子显微镜发展征程中所发生的那些应该知道和记住的故事。 第7章 欲与天公试比高——高分辨电子显微术的发展之路 人们对分辨率的追求是如此执著，盖因准确地“看”到物质的最细微结构，这对于人类科技水平的提升影响极大。1971年从日本来到美国做博士后的饭岛在考利的带领下展开了攻坚战，很快就获得了历史上首张原子分辨率高分辨电子显微像，标志着原子点分辨高分辨像的诞生。科学家的追求并未因此止步，但分辨率的继续进步有待于透镜像差的消除。聪明的谢雷兹早在1947年就提出电镜光学系统消除像差的办法，可惜当他提出的理论最终成为现实之时，他本人刚刚离世6年，终未能亲眼目睹盛况。不过好在谢雷兹后继有人，他的学生罗斯和罗斯的学生海登接下了大旗继续前进，并最终实现了他的梦想。由罗斯设计并最终在德国尤利希的电子显微中心取得的球差校正首次突破，那是针对透射电镜成像的。而在几乎同一时期，还有另一个人正在另一条路上摸索前进着，他就是美国的克里法奈，奋斗目标是扫描透射电镜的像差校正。克里法奈来到英国寻求资助，资金申请获得的评语是“这个项目几乎不可能成功。但是，如果还有人能令它成功，就是此人”。虽然芝加哥大学克鲁动用“特权”在1970年宣告单原子观察成功，但克里法奈对扫描透射电镜的像差校正成功，才真正标志着亚埃量级分辨率的全面成功。盖博1947年排队打网球时产生了一个可校正像差的全息图概念，但直到1978年日立公司外村彰和他的同事们研发场发射枪透射电镜成功，才终于实现了电子全息。而杨振宁应邀到访日立公司更助外村彰走进电子显微名人殿堂。 既然电子显微镜身怀如此绝技，长缨在手的它想来必能力缚苍龙，立下很多特殊功勋吧。如果您现在正是这么想的，就请继续阅读第8章，看看火眼金睛的电子显微镜到底帮助我们揭示了什么前所未见的秘密。 第8章 今日长缨在手——屡立奇功的电子显微镜 电子显微镜在应用方面屡立奇功。仅挑选几个典型的例子，就可以重现昔日完全靠电子显微镜而铸就的科学经典。第一个是小鲁斯卡还仅是医学院一名实习生时，就在1938年发表了人类历史上首例完整病毒结构，19世纪末至20世纪初生物学家和植物学家们苦苦搜索无果最后只能靠猜想的、比细菌还要小的、有毒的狠角色在电子显微镜的火眼金睛下终于显出了原形。第二个是1934年金属物理学中关于晶体中位错的猜想，直接引发了利用电镜对位错的寻找，1950年代终于由剑桥夺冠。柯俊与钱临照二人详细推敲Dislocation的词意，神来之笔译为“位错”。第三个是以色列人谢赫特曼1982年在美国国家标准局进行访问研究期间拍摄到了一张颇出他意料的电子衍射谱，显示出在传统晶体学中不被允许的五重旋转对称性，就此宣告了一种新晶体结构——准晶的存在。而著名结构化学家鲍林却公开讥讽说：“没有准晶只有准科学家”。第四个是饭岛1986年采用在石墨棒之间电弧放电的方法产生炭黑，又以高分辨电子显微术发现了结构特殊、性能神奇的纳米碳管，就此掀开了纳米科技的新篇章。 成像分辨率傲视群雄的电子显微镜却也有看得见摸不着的尴尬，这不符合人类总想统治一切的本性。要知道纳米科技的精髓就是要通过人为操纵原子来根据需要组建物质结构，看见、接触并能操纵原子才是纳米科技中最关键的一环。那么谁有那么大的本事可以摸到原子呢？中学时物理都不及格的黄口小子最后怎么获得了诺贝尔奖？一个巴掌大的扫描隧道小弟为何能与身高两米的电镜大叔有同样的分辨率？IBM是如何制成风趣的原子小人动画片的？这一系列的问号，咱们将在第9章且聊且答。 第9章 无限风光在险峰——可移动原子的扫描隧道显微镜 鲁斯卡因发明电子显微镜而荣获1986年诺贝尔物理学奖。实际上当年有三人共享此项大奖，另外两位与鲁斯卡一起名垂青史的是扫描隧道显微镜的发明人IBM瑞士苏黎世研究中心的宾尼希和罗雷尔。如果说鲁斯卡的发明使人类最终直接面对原子成为现实，为人类开启了探究原子世界的窗口，那么扫描隧道显微镜的发明使得人类能够更进一步亲手操纵原子来建设想像中的纳米世界，原子世界终于彻底向人类敞开了大门。故事的开头是物理学几乎不及格的台球和桥牌高手加埃沃验证了单电子隧道效应而荣获1973年诺贝尔物理学奖。故事的高潮则发生在1981年某日午夜，宾尼希和罗雷尔终于首次记录到了非常清楚的隧道电流特征，扫描隧道显微镜诞生了。这类显微镜可以用来观察并移动物质表面的原子。宾尼希等人借助扫描隧道显微镜这一新式武器获得了非常清晰的具有原子分辨率的硅表面的结构像，一举解决了在这一问题上存在了几十年的争议。1990年，IBM美国加利福尼亚州阿玛丹研究中心的研究人员用35个氙原子排成的‘IBM’字样，2013年IBM又发表了一个名为《男孩和他的原子》的动态视频，展示了通过扫描隧道电镜移动一氧化碳分子拼成男孩与分子游戏的视频。1986年，还是宾尼希，独自仰望公寓天花板突获灵感并马上起身勾画出设计草图，扫描隧道显微镜的第一个、也是最重要的一个变种，原子力显微镜就此诞生，从而开启了以针尖扫描为基础的、具有各种特殊功能的显微镜的发明竞赛。扫描隧道显微镜不断繁衍，产生出一个庞大的扫描探针显微镜家族，彻底打开了人类通往原子世界的大门。这扇门后面可谓是风光无限，一个可以被人类观察并改造的、精彩的纳米世界，终于呈现在我们眼前。

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