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趣談顯微鏡歷史（三）
閱讀：1948 發(fā)布時間：2011-4-7
鍍金的葬禮–掃描電鏡
埃及法老死了，可以用裹腳布纏了鎖到金字塔里；漢皇帝死了，套上金縷玉衣裝進(jìn)墓室；而一顆精子死了，也可以享受通體噴金的待遇，然后被放到掃描電鏡里，為科學(xué)進(jìn)步zui后出一把力。
為什么掃描電鏡的觀測過程需要如此華麗呢？
讓我們?nèi)匀荒眠@顆幸運的精子舉例，不同于上一節(jié)，這次我們關(guān)心的是它的"外表問題"。同電鏡一樣，掃描電鏡利用高能電子束轟擊精子，期望炸得它的表面電子直飛。電子如何飛出、飛出多少，就反映了這顆精子的外表狀況：比如是否光滑、通體姿態(tài)是否英俊等等。大家知道精子就像人體，都是不良導(dǎo)體，不容易轟出電子；另外，細(xì)胞的主要組成元素是碳，原子量小，抵御能力差，電子束容易炸到里邊去，這樣就不容易判斷飛出的電子究竟來源于外層還是內(nèi)部–緊貼表面鍍上一層金鎧甲，由鎧甲飛出的電子可以測得鎧甲形狀，也就知道了內(nèi)表面形狀。這里只給大家看一只新鮮鍍金、即將舉行電子轟炸儀式的蜜蜂。與它并列的是精子的轟炸成品–掃描電鏡圖。
不同于電鏡，掃描電鏡掃描物體表面，所以得到的圖像是立體的；它的放大率本領(lǐng)也極其多能，從25倍直到250000倍都可靈活掌握。這樣一個聰明的技術(shù)，卻是由一個"天才少年"紙上談兵的演算開始的。
von Ardenne，貨真價實的貴族少爺，奶奶是《寂寞芳心》這本書的女主角原型。他15歲拿到*項電子管，后來高考也不參加就進(jìn)了大學(xué)，入學(xué)才一年又以"教學(xué)死板"為由炒了學(xué)校的魷魚–zui后果然成為應(yīng)用物理界牛人一枚，在電鏡、醫(yī)療、核技術(shù)、膜物理、無線電和電視技術(shù)等領(lǐng)域獨占600項，私人實驗室全由費養(yǎng)活。二戰(zhàn)爆發(fā)前兩年，他靈感突然迸發(fā)，撰文兩篇論證想象中的掃描電鏡；只是在付諸實施階段竟對成果的解像度從未滿意，于是沒有發(fā)表任何照片。二戰(zhàn)的空襲炸毀了不少電鏡，除了上一節(jié)提到的西門子實驗室，還有von Ardenne的雛形掃描電鏡。von Ardenne同電鏡的緣分隨著鋼鐵骨架的破碎而灰飛煙滅。有人說，二戰(zhàn)只需晚兩年，掃描電鏡的發(fā)明權(quán)必然納入他的囊中。
二戰(zhàn)平息，歷史將研究的接力棒交給英國紳士Charles Oatley。不像von Ardenne，這個真正的Oatley出生于烤面包行業(yè)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)驼{(diào)，觀其一生都很難找到什么風(fēng)流韻事和英雄事跡。他的父親雖然沒有科學(xué)知識，卻崇拜科學(xué)，并把熱愛科學(xué)的基因遺傳給了孩子。Oatley6歲時，父親就將一輛電動汽車作為生日禮物送給他，后來又添了一個顯微鏡，這在1910那個年代可不是一些常見的玩具。Oatley就這樣走出鄉(xiāng)村，走入劍橋，二戰(zhàn)后繼續(xù)執(zhí)教那里。盡管同時代的許多專家都說"研究掃描電鏡簡直是浪費時間"，Oatley還是目光敏銳地率領(lǐng)自己的博士生寒窗十年，敲打出讓自己看到希望的掃描電鏡；然后又是十年才說服其他顯微鏡學(xué)家接受這個成果。1965年，掃描電鏡的生產(chǎn)終于商業(yè)化，那具有歷史意義的*臺被運往材料大公司杜邦的實驗室。
掃描電鏡也可以在冰凍的條件下操作，于是我們有幸能夠一睹雪花的表面細(xì)節(jié)。不知北京的冬天有沒有飄雪呢？
撥弄那“原初的孩子”——掃描隧道顯微鏡
上一節(jié)還提到，暮年的電鏡*盧斯卡憑借一項五十歲的發(fā)明摘得1986年諾貝爾物理學(xué)獎，同他分享獎項的還有兩位比他年輕30和40歲的歐洲科學(xué)家–IBM公司的比尼西和盧勒，前者成長于法蘭克福二戰(zhàn)后的廢墟之上，以組建樂隊和玩提琴起家，"幸而"棄藝從理；后者是泡利的學(xué)生，師承的不僅有科學(xué)知識，還有收獲諾貝爾獎的傳統(tǒng)。二位年輕人相會在IBM，異趣相投，卻發(fā)現(xiàn)世上沒有任何工具足以研究自己所感興趣的物體表面原子構(gòu)造。干脆自己動手，豐衣足食，僅兩年便打造出一臺掃描隧道顯微鏡。和電鏡爺爺站在同一領(lǐng)獎臺上，掃描隧道顯微鏡顯然只是幼兒，那時它只有五歲大。
顧名思義，掃描隧道顯微鏡的意思是樣品需要通過一個隧道般的儀器，像過火車，黑漆漆的隧道中有一個神秘的探頭對其進(jìn)行掃描，表面圖像就自動生成了；由于隧道里沒有光，所以圖像只能采用很詭異的pseudo-color……啊，且慢！請放下你手中的西紅柿！
沒錯，“樣品過隧道”只是我多年的無稽想象，實際上“隧道”并不是一個宏觀的概念。大家也許還記得中學(xué)化學(xué)老師說：構(gòu)成物體的原子由原子核以及周圍電子組成，電子老老實實繞核運動。但老師沒講的是，這些電子可能通過秘密“隧道”逃到你預(yù)料不到的周邊去玩耍，所以你如果閉上眼睛瞎猜，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f，這些電子有10%的可能穿過隧道跑出去了。題外話：嶗山道士穿墻而過是同樣道理（量子物理，一切皆有可能！），只是你不可能經(jīng)?？吹竭@樣牛的道士–因為道士的身體通常由無數(shù)微粒組成，哪怕每個粒子穿墻而過的概率都能達(dá)到10%，他全身所有粒子同時穿墻的概率也幾乎等同于零。
掃描隧道顯微鏡就是借用了電子可能通過隧道跑到外邊玩的性質(zhì)。這個儀器像個盲人，要依靠一根細(xì)針在物體表面"撫摸"來確定物體形狀，但是如何在不接觸的前提下判斷是否貼近目標(biāo)了呢？請想象你要研究的表面由許多原子碼成，每個原子里邊都有電子，所以一個表面并不是齊刷刷的，而是長著一些招搖的“電子絨毛”，絨毛正是那些穿隧道跑走的調(diào)皮電子。儀器的針尖接近這個表面，針尖和表面上的電子絨毛就會接觸，針尖就會感到非常癢癢，于是知道自己不能再靠近了；反之，一旦遠(yuǎn)離平面，針尖的絨毛立刻就感覺不到平面的絨毛，為了繼續(xù)撫摸平面，就湊近。依據(jù)這個原理，掃描隧道顯微鏡便利用一根細(xì)到原子級別的針逐一"撫摸"表面的每顆原子，然后將它得到的印象告知人類。
請注意，文章進(jìn)行到這一環(huán)節(jié)已達(dá)“原子”的精密程度（如果將你中等大小的細(xì)胞想象為地球，zui大的原子也不過一個“鳥巢”場館大小），任何晃動都不能被容忍，因此諾貝爾獎得主當(dāng)年利用了磁懸浮的技術(shù)來避免晃動，今日則多利用彈簧的原理。
在二位IBM工程師拿到諾貝爾獎不多年后，他們的同事不僅遠(yuǎn)觀，而且褻玩，用類似儀器將35顆氙原子拼成IBM三個字。又過幾年，居然又進(jìn)行了更加明目張膽的藝術(shù)創(chuàng)作，用一粒粒鐵原子寫下橫平豎直的“原子”，并這樣注腳：“這兩個漢字的意義是–原初的孩子（original child）”。
正如光學(xué)顯微鏡的發(fā)明定義了微生物學(xué)，電子顯微鏡的出現(xiàn)開始了細(xì)胞學(xué)；時至今日，掃描隧道顯微鏡這個當(dāng)年的幼兒已長成巨人，并撐起了一片碩大的天空–那就是納米技術(shù)。
后來，掃描隧道顯微鏡有了各種衍生產(chǎn)物，由于都用到“探針”，所以被統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡。其中一個借助聲波的幫助，能打探到物體內(nèi)部去，叫做掃描探針聲顯微鏡。你能猜出圖中的“泡泡花”是什么嗎？低頭看看你手上璀璨的鉆戒，這幅圖就是鉆石的心靈了（金剛石內(nèi)部層理）。感謝同濟(jì)大學(xué)的小菊和他的老師將圖片同大家分享。
尾聲
請看這幅圖。你能從中看到幾個女人？一眼看出1個？仔細(xì)看又有3個？還是8個、9個、11個？
抱歉，答案我并不知道。
顯微鏡的誕生喚醒了人們“看得更小”（micro+scope）的饑渴；它階梯式地成長，帶著人類目光一步步尖銳到更精細(xì)的地方。在此過程中，人們獲得的愉悅?cè)缤蕾p這幅圖畫時一樣–來自不可預(yù)知；換個角度，前所未見的細(xì)節(jié)便會優(yōu)雅地出現(xiàn)，而它所在的層面也將從此清晰無比。
在遠(yuǎn)古的年代，人們躲在草從里偷窺小動物做窩，它們不論個頭大小，都有自己的主意，知道要去向何處；500年前，“跳蚤鏡”對焦昆蟲世界，人們驚喜地看到小蟲蟲張牙舞爪，有自己的表情和舞步；300年前，在列文虎克的精美單式鏡下，一滴水中的完整社會突然暴露無遺，各色細(xì)菌黨同伐異，也有階級和合作制度；70年前，電子突破細(xì)胞壁壘，其中的細(xì)節(jié)接二連三凌空而至，微小的泡泡爬來爬去，對人類驚訝的注視渾然不顧；今天，原子的行蹤不再局限于推測和想象，人們甚至可以在尊重它們個性的前提下勸說其挪動身軀；100年后，原子核和電子被拉到近前，人們清晰地感知量子力學(xué)所預(yù)測的原子結(jié)構(gòu)，親手測量電子的大??；500年后，組成在座各位身體的粒子四散在大地和空氣，甚至有幸成為另一個生命的一部分，它們將代我們見證彼時的世界；也許那天，生物學(xué)早已超越以視覺為基礎(chǔ)的描述"的局限，而成為像數(shù)學(xué)和物理一樣具有邏輯推理的學(xué)科。
不論何時，視野有界，想象無邊。