探索微觀世界

莫冰

隨著現代科技的不斷進步，人類對宇宙的探索越來越向更宏觀和更微觀的兩極發展，由此衍生了行星科學和納米科學。“中國天眼”FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope）將我國的空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，然而我們在追求“看”得更高更遠的同時，還要進入微觀世界瞧一瞧，不僅要看得到，還要看得清。

見微知著

為何許多領域的研究人員執著于“看”清越來越小的微觀世界？一方面，當物質的尺寸進入納米尺度（<100納米），其性質會發生很大變化，常具有獨特的光學、電子或機械性能。以黃金為例，納米金顆粒不再金光閃閃，不同粒徑可呈現紅色或藍色。與固體黃金不同，納米金顆粒是一種非常重要的免疫標記物，是基礎研究和實驗中的重要工具。另一方面，微觀現象有助于理解宏觀過程，進入微觀世界才能從本質上理解宏觀世界，正所謂“眼見為實”。研究人員發現在Apollo返回的月壤樣品中廣泛存在著納米金屬鐵，這是月壤與地球土壤最主要的區別。研究月壤中的納米鐵不僅有助于理解月表的太空風化過程及演化歷史，其存在對月壤性質的改變還對正確解譯遙感數據乃至開展月球探測工程具有非常重要的意義。

“微”有可觀

光學顯微鏡的發明打開了人類通往微觀世界的大門。自16世紀末顯微鏡發明起，人類陸續觀察到血液循環、細胞以及細菌、寄生蟲等微生物，形成了許多顯微生物學基礎認識，豐富多彩的微觀世界也隨之進入人們的視野。人類之所以可以在探索未知的道路上不斷前行，是因為基礎理論研究的不斷完善和技術人員對制造工藝的精益求精。在19世紀末，光學顯微鏡的分辨率已經達到0.2微米的理論極限1，成為了名副其實的科學工具，在生物學、醫學、地質學、礦物學、材料科學等很多學科的發展過程中都起到了不可替代的作用。

然而，人類從不甘于被“極”所限，被突破似乎就是極限的宿命。不同領域的研究人員對突破顯微鏡分辨率極限的執著和鉆研，成就了電子顯微鏡和超分辨率光學顯微鏡的問世與發展，人類終于走進了納米世界。

“納米級”世界

電子顯微鏡的誕生得益于量子力學和電子光學的發展。1923年，德布羅意（Louis de Broglie）首先提出了電子的波粒二象性，加之電子在磁場中運動軌跡的研究和電子透鏡的出現，電子顯微鏡的誕生水到渠成，1931年歷史上第一臺電子顯微鏡問世。與各種新生事物的發展規律一致，電子顯微鏡在一路曲折中前進，如今的球差校正透射電子顯微鏡已具有超高分辨率，可以獲得清晰的原子像。電子顯微鏡已不僅僅是一臺超級放大鏡，在配合其他探測器的情況下，樣品的成分、結構乃至元素的化學態信息應有盡有。電子顯微鏡早已成為醫學、材料科學、礦物學乃至行星科學領域必不可少的科研工具。

超分辨率光學顯微鏡的理論于1994年被史蒂芬·赫爾（Stefan W. Hell）提出并最終于2000年實現，其團隊利用受激發湮滅（STED）熒光顯微技術成功打破衍射極限，將光學顯微鏡的分辨率極限拓展至納米尺度，使人類看清了生物單分子。這一突破為赫爾贏得了2014年的諾貝爾化學獎。同年的諾貝爾化學獎獲得者埃里克·本茨格（Eric Betzig）和威廉· 默爾納（William E. Moerner）同樣為超分辨光學顯微鏡的發展做出了突出貢獻。前諾貝爾化學獎委員會主席斯文·利丁（Sven Lidin）對三人的成就如此解釋：傳統化學研究的是大量的分子及其宏觀效應，現在我們能夠看到單個分子在化學系統里的活動，這意味著化學反應可以在發生的過程中被研究，而不只是能看到最終產物。

人類在微觀世界的探索之旅，皆是對“眼見為實”的鍥而不舍。總有人在為突破極限苦苦追尋、不懈努力，顯微鏡的發展前景可待，未來可期，微觀世界有更多精彩等待發現，讓我們一起拭目以待吧！