科學人 發行日期:2010/10 刊號:103
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4D顯微鏡大開眼界

如果能有影片呈現細胞的內部運作,或是顯示奈米機器運轉的方式,科學家會多興奮!而新的顯微技術即將讓這些目標成真。
撰文∕齊威爾(Ahmed H. Zewail)翻譯∕甘錫安

重點提要
■四維(4D)電子顯微技術可拍攝到尺寸為奈米、持續時間短至數飛秒(10-15秒)過程中的「影片」。
■這項技術是以在精確控制的時間下拍攝的數千張個別相片,再組合成一格畫面。
■這種技術的應用領域相當廣泛,包括材料科學、奈米科技和醫學等。

人類的視力有其極限,我們看不見比人類頭髮(直徑小於1毫米)細很多的東西,也無法分辨速度比眼睛眨動(1/10秒)還快的動作。當然,近1000年來,光學和顯微鏡技術的長足進步,讓我們得以大大超越肉眼視力的極限,看到極為細微的影像,例如病毒的顯微影像;或是子彈打穿燈泡那千分之一秒的頻閃相片。但是如果看見呈現原子樣貌的影片,通常我們可以斷定這應該是動畫、藝術家的想像圖,或是某種模擬畫面。

近10年來,我在美國加州理工學院的研究團隊開發出新的顯微技術,可顯示原子尺度、時間短至1飛秒(10-15秒)的運動。由於這項技術可同時拍攝到時間和空間,而且是以普及的電子顯微鏡為基礎,因此我將這項技術稱為四維(4D)電子顯微技術。我們以這種技術拍攝了許多現象,包括數奈米長懸臂的振動、石墨中碳原子層在受到雷射脈衝「敲擊」後的振動,以及物質的狀態改變等。另外,我們也拍攝了蛋白質和細胞的影像。

4D電子顯微技術將可解答從材料科學到生物學等許多領域的問題,包括從原子到巨觀尺度徹底了解材料的特性、奈米和微米機電系統(NEMS和MEMS)如何運作,以及蛋白質或生物分子組合如何摺疊並變成更大的結構,這是各種活細胞運作的重要過程。另外,4D電子顯微技術還可顯示奈米結構中原子的排列方式(原子排列方式可決定新奈米材料的特性),如果時間長度可短至阿秒(10-18秒),或許還能追蹤電子在原子和分子內的移動。除了用於研究基礎科學之外,其他用途也相當廣泛,包括設計奈米機器和新型藥物等。

一切從貓咪開始
4D顯微技術這種尖端科技,雖然是以先進的雷射裝置和量子物理為基礎,但許多運作原理可由科學家100多年前開發的停格動畫攝影術加以說明。其中最重要的是1890年代法蘭西學院教授馬雷(尒ienne-Jules Marey)研究快速運動時,在移動的物體和攝影感光片(或感光條)之間,放置有狹縫的旋轉圓盤,產生類似現代動畫拍攝方式的連續曝光影像。

在其他研究中,馬雷研究貓落下時如何自己將身體回正,因此能以四腳著地。在沒有東西可以依靠的狀況下,貓如何憑藉本能完成這樣的特技而不違反牛頓運動定律?貓落下和腿部揮動的總時間不到一秒鐘,如果沒有其他輔助方式,人類沒辦法看清楚整個過程。馬雷的停格快速攝影揭露了答案。貓是讓身體的前半部和後半部朝相反方向旋轉,同時先伸長腿部再縮回。高空跳傘員、舞者和太空人也必須學習類似的動作,讓身體旋轉。

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