奇幻美麗的納米世界

海力網  來源： 網易  2008-02-20 10:04:28
　　據(jù)美國《連線》雜志報道去年底，一支英國科學家首次拍下了一個進攻性病毒攻擊酶和DNA鏈的實時納米級影像，這是掃描探針顯微鏡發(fā)展中的最新突破。這些納米光學顯微鏡科學家通過光柵掃描單個原子，制造出了一些令人驚嘆的納米級圖像。在25屆掃描隧道顯微鏡發(fā)展年會上，國際掃描探針顯微鏡圖像競賽展示了一組最佳的掃描隧道顯微鏡圖像。以下是其中的部分作品。
　　光柵掃描技術的前身就是掃描隧道顯微鏡（簡稱STM），這是1986年的一項重大發(fā)明，它的創(chuàng)建者為此獲得了諾貝爾獎。掃描隧道顯微鏡將一根電子探針深入到物質中，讓科學家能看到高電子密度區(qū)域，從而推斷單個原子和分子所在的位置。從而，科學家就可以精確制造出原子級別的精微圖像。


1、量子森林
　　由德國實驗室托斯頓·鄧卓巴拍攝的這一圖像顯示了一片GeSi量子點“森林”，其實，它們只有15納米高，直徑也只有70納米。


2、藍寶石

　　隨著納米技術的不斷發(fā)展，科學家正在探索創(chuàng)新辦法來建造原子級別的結構。美國伊利諾斯大學香檳分校的斯科特·麥克拉倫及其同事一同建造了這張精美制作的藍寶石襯底的彈坑圖像。此藍寶石是通過飛秒級激光脈沖擊打其表面而受熱的，在此過程中，藍寶石噴射出原子而留下一個淺淺的彈坑。此晶體經再加熱和再次噴射，形成了這里所展示的內部深層結構。1飛秒是千萬億分之一秒。


3、大腸桿菌

　　此大腸桿菌展示了其保存完好的僅僅30納米長的鞭毛。科學家是用原子力顯微鏡（簡稱AFM）來拍攝到此圖像的。原子力顯微鏡（AFM）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在于并非利用電子隧道效應，而是利用原子之間的范德華力作用來呈現(xiàn)樣品的表面特性。與掃描隧道顯微鏡不同，原子力顯微鏡的尖端可直接接觸到樣品的表面。其尖端之間的力可以通過測量微型懸臂上的伸張力來計算。原子力顯微鏡如此靈敏，以至于小到只有幾皮牛頓（一萬億分之一牛頓）的力出現(xiàn)時，它們也能探測得到。



4、納米線

　　幾種植物的葉子，包括荷花，展現(xiàn)出其自潔特性。這種所謂的“荷花效應”也叫作自清潔效應，那么，荷花何以出淤泥而不染？是因為它的表面十分光滑，污垢難以停留？不是?？茖W家用掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)荷花的花瓣表面像毛玻璃一樣毛糙，全是納米級的“疙瘩”。這些“疙瘩”讓雨水將荷葉清洗干凈，從而讓荷花保持最佳光合作用能力，顯得精神抖擻。這張2微米x 2微米圖像顯示一種人造制品在模仿荷花的自清潔效應。此地毯似的一團納米線是由化學汽相淀積處理而成的。當水滴落在此超級不沾水的納米線上時，它們會快速滴落，并帶走納米線上的塵埃。



5、藍藻

　　此藍藻圖像是科學家為了解此藍藻細胞壁如何幫助它運動所設計的一系列實驗中拍攝到的。美國科學家將最新的原子力顯微鏡技術應用到生物系統(tǒng)中，如細胞分類、趨化現(xiàn)象和共生現(xiàn)象。原子力顯微鏡相當靈敏，科學家表示，甚至2位在網球場上打球的人之間的吸引力都能讓它感受得到。



　　6、電荷

　　科學家用靜電力顯微鏡（簡稱EFM）拍攝了這張直徑只有18納米的碳納米管所釋放電荷的絳蟲似的圖像，其明亮的光環(huán)是碳納米管頂端釋放電荷形成的，而放了電的碳納米管則呈現(xiàn)暗色。與掃描隧道顯微鏡（STM）不同，靜電力顯微鏡通過靜電力來制造圖像?？茖W家表示，靜電力顯微鏡特別容易觀察納米世界下任何物體的靜電行為。


7、溴原子

　　掃描隧道顯微鏡不僅僅只用于觀察單個的原子，還可通達顯微鏡的尖端、一些精良的刻度尺和穩(wěn)定的手來操縱單個的原子，如挑選原子或將它們從一邊推到另一邊。加拿大多倫多大學的化學家楊申云（音譯）拍攝了此圖像，證實了“這是一種分子級印刻的新辦法”。楊申云說：“掃描隧道顯微鏡是一次一個人操縱原子的首個最好的工具。”通過此辦法，楊申云成功將12個溴原子通過分子的自我組合排成一個圓圈。


　8、花開

　　此13納米x13納米的圖像顯示通過分子束在單個金晶體上進行DIP和銅酞菁涂層所達到的效果。這些平面的有機分子展示出半導體的特性。此圖像展現(xiàn)分子在特定情況下是如何自我排列的，此信息是科學家要建造未來半導體的關鍵之處。


　　在不久前的國際探針顯微鏡圖像競賽上，科學家向公眾展示了一組最佳的隧道掃描顯微鏡圖像。這些納米級圖像是科學家制作的藝術品。


　9、血細胞

　　這些硬面包圈似的血細胞可幫助研究抗菌肽對細胞膜的影響。此圖像顯示人體血細胞經抗菌肽Phyllomelittin處理后的表面現(xiàn)象。Phyllomelittin是從猴樹蛙是提取分離出來的一種新型抗菌肽。

 

 

 

超越微觀之極：納米的精美繪畫

每隔半年，美國材料研究協(xié)會都會公布在研究過程中最引人注目的精美圖片，這些照片是科學與藝術的完美結合。
　　以下是11張精美納米級微觀圖片：



二氧化硅納米線像向日葵
二氧化硅納米線能夠自行組成形成令人深刻印象的圖案，香港中文大學教授郝少康在電子掃描顯微鏡下觀看二氧化硅呈現(xiàn)出花卉的形狀。不同于植物的是，這些花卉需要的“肥料”是鎵和金催化劑。這些催化劑可讓二氧化硅納米線的長度增長至幾微米，直徑保持在10納米左右。這幅精美納米微觀圖片與真實的向日葵頗為相似。



氧化鋅納米微觀像中國國畫

新加坡南洋理工大學博士后研究員楊英輝(音譯)在檢測氧化鋅納米針的時候，意外地發(fā)現(xiàn)這呈現(xiàn)出典型的中國國畫風格。通過對場景上色，楊英輝又繪畫了一部分，使得氧化鋅納米微觀圖成為一幅精美中國國畫。




　　聚合體像腫瘤
這張微觀圖片看起來像腫瘤或大腦橫截面，這個聚合體是由美國伊利諾伊州阿爾貢國家實驗室納米級材料研究中心博士后Muruganathan Ramanathan拍攝的。他拍攝了超薄薄膜的精美圖像，他用活性氧化鐵蝕刻進行裝飾，使用加熱和溶液使其晶體化。這張微觀圖片拍攝結果更像是一幅現(xiàn)代藝術畫，與科學研究似乎無關。


晶體管像山川湖泊
在美國斯坦福大學包哲楠(音譯)和她的研究小組使有機晶體管成為更加先進的電子設備，她的一位研究生使用橫向極化光顯微鏡將有機晶體管進行微觀轉換。從微觀上觀測，薄膜的明亮區(qū)域就像是山川湖泊，而金電極部分則像一面籬笆墻。



鎳鈦合金呈現(xiàn)柱狀結構  

當鎳鈦合金經受科學家加熱的反復“虐待”，將返回至之前的狀態(tài)，使科學家能夠觀測到美麗的圖像。德國普朗克冶金研究所布里特-克拉克使用聚焦離子光束形成這些微型柱狀結構，然后再用納米刻壓機進行壓縮處理。最終克拉克通過傳輸電子顯微鏡呈現(xiàn)了這個微型金屬棒的張力效應。



氧化鉭晶體呈現(xiàn)懸崖奔跑的人

美國桑迪亞國家實驗室科學家杰夫-布倫尼克將一個氧化鉭晶體插入電子掃描顯微鏡中，并開始收集相應的呈像圖片，此時他發(fā)現(xiàn)電子掃描顯微鏡并不清潔，包含有聚苯乙烯微小的珠子。但正是這種巧合形成了令人驚嘆的圖片：一個人正在向懸崖奔跑。
這張富有創(chuàng)意的微觀圖片在2008年材料研究協(xié)會春季科學藝術競賽中獲得第二名的好成績。



金晶體表現(xiàn)懸臂細微活動
西班牙馬德里大學維奧萊特-納瓦羅使用原子力顯微鏡捕捉到幾近完美的金晶體結構，圖片顯示的微小懸臂在晶體表面上往返轉動，激光干涉儀在途經拐點時捕捉到其中的細微活動變化。



聚合體像河畔森林
這張圖片是電子掃描顯微鏡覆蓋一個多孔硅模具的聚合體圖像，但是對于美國德克薩斯州大學研究員法蒂赫-布約克塞林來說，這看上去非常像哈得孫河畔的森林。


六角形結構
耐用薄膜允許質子經過是燃料電池的最重要部分，在瑞士洛桑理工學院博士生塞繆爾-摩爾米特將氧化鈰和一個六角形鎳格結合在一起，制成一種耐用的物質，可以使氫離子自由移動。



遙遠星系
經過將一些鉀鈮氧化物堆積在硅表面，研究生邁克爾-塞格納托維茨使用一個光學顯微鏡拍攝了這張圖像，觀看起來非常像一個遙遠星系。




　　晶體看上去像彩色玻璃窗

雖然這張圖片看上去像一個彩色玻璃窗，但實際上它是晶體頂部一層薄薄鐵薄膜的磁疇，晶體由鎂和鎵砷酸鹽制成。意大利ELETTRA同步輻射光源實驗室研究人員索利曼?墨索奧尼使用X射線磁循環(huán)二色性技術，結合了光噴射顯微鏡創(chuàng)建了這幅令人驚異的圖像。

 

 

 

一個納米 一個世界
　　美國材料研究學會最近發(fā)布了一些由顯微鏡拍攝的最漂亮的科學藝術圖像（2007 MRS春季會議“科學的藝術”得獎照片）。這些作品都是微米級或者納米級的，是通過掃描電子顯微鏡(SEM)和掃描隧道顯微鏡(STM)拍攝的。



“從古典到量子藝術”_EeJinTeo_并列第一名
　　圖1：在納米晶體上畫世界名畫
　　利用高分辨率的聚焦離子束寫入技術，科學家把十九世紀英國畫家威廉·布萊克（William Blake）的經典名畫轉移到了可以精細調節(jié)的納米晶體上。科學家稱之為“量子藝術”。
　　這張由新加坡國立大學提供的名為“上古時代”的光致熒光照片其實就是多孔硅，精度為100微米?？茖W家先用聚焦氦離子束對多孔硅進行處理，然后在氫氟酸里用電化學腐蝕而成。由于量子限制效應，腐蝕后剩下的硅的骨架能發(fā)出可見光。
　　在這個圖里，我們看到橙紅色勾勒處的男人。他的臉和須發(fā)是用黑色完成的。這些黑色區(qū)域其實是用高的氦束劑量來達到的。他正伸出左手去拿紅色球上的一副橙黃的圓規(guī)。



Anthradithiophene的花束_MatthewLloyd_并列第一名
　　圖2：顯示屏就像向日葵
　　這幅看上去像很多幅梵高名畫《向日葵》的圖片，其實是由美國科內爾大學提供的雙噻吩蒽（Anthradithiophene）分子的顯微圖像。這種分子由五環(huán)組成，看起來像五朵向日葵花。雖然名稱聽上去很專業(yè)，但其實就是有機薄膜電晶體，可以用于顯示屏，如OLED顯示屏。



納米黃金金字塔_JoelHenzie_第一名
　　圖3：微觀黃金金字塔
　　這是由美國西北大學提供的位于硅基座上的納米金字塔的高分辨掃描電子顯微鏡照片。這種納米顆粒陣列具有定向的光學性能。這種特性使得人們對于納米尺度里的光和物質的相互作用具有了更深的理解。
　　科學家正在探索這種結構在化學、生物傳感和納米光子學等方面的應用。



砷化鎵海底生物_CandaceLynch_并列第二名
　　圖4：瑕疵之美造就海底生物
　　此名為“砷化鎵海底生物”的照片其實是顯微鏡拍下的砷化鎵表面的瑕疵。它是美國空軍研究實驗室利用諾馬斯基（Nomarski ）相襯（微分干涉相襯）技術拍成的。拍攝時，有氫化物氣體流過其表面。



納米金表面的水滴_PhilBartlett_并列第二名
　　圖5：納米金表面上的水滴
　　這張圖是納米結構的金表面上的一滴水，這是由英國南漢普頓大學拍攝的，是通過電鑄成模方法制備的納米金。這些顏色是由白光反射和納米金表面上的等離子體激元所形成的。



花粉上的黃昏_SamualShian_并列第二名
　　圖6：花粉上的黃昏
　　這是一個二氧化鈦花粉表面的掃描電子顯微鏡照片。此花粉是通過形狀不變的“氣-固”替換反應被轉化成了氧化鈦。其外觀上的粒狀表面是納米晶體銳鈦礦。此圖經后續(xù)圖片加工，增加了顏色和照明效果。（北京科技報 王金元編譯）


氧化錫納米線的掃描電鏡照片_SureshDonthu_并列第一名
　　清晨林中漫步：Suresh Donthu, Northwestern University
　　氧化錫納米線的掃描電鏡照片



納米棒棒糖_SarangIngole_第二名
　　這是一個側面圖，現(xiàn)實了搭在兩個鎳電極間的一根硅納米線。在右邊的那一頭，納米線連著一個小的納米鎳金屬球，看起來就象是個棒棒糖。所以偶們叫它"納米棒棒糖"。此圖由日立S-4700場發(fā)射掃描電鏡拍攝。樣品法線跟電子束成85度角。