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芥子之小須彌之大人類對微觀世界的追尋之路

2019-09-10 10:52:50來源：儀器網(wǎng)關鍵詞：顯微鏡閱讀量：4178

　　【儀器網(wǎng) 時事聚焦】當天文望遠鏡對準深邃的太空，將人類的視線帶向距離地球130多億光年的宇宙深處的時候，現(xiàn)代顯微鏡將人類的視野擴展到納米級的微觀世界，讓人類觀察到了原子的結構?？吹酶h、看得更小是人類在探索世界的過程中不斷追求的目標。

　　微博賬號“You Tube精彩視頻”發(fā)布的視頻“微觀鏡頭下的圓珠筆”登上微博熱搜榜單，展示了圓珠筆頭一直放大所見的畫面。網(wǎng)友對微觀世界的好奇一如“跳蚤鏡”(flea glasses 早的顯微鏡)出現(xiàn)時人類觀察跳蚤的興致勃勃。從古至今，人類對觀察細微事物的興趣從未改變。

　　光學顯微鏡邁向微觀世界的步

　　與望遠鏡相似，臺顯微鏡也是由眼鏡制造商偶然制作出來的。初顯微鏡并沒有用于重要的科學研究，直到1611年，伽利略次利用顯微鏡觀察到一種昆蟲并對它的復眼進行了描述，這也意味著顯微鏡開始進入生物學的研究中。隨后，羅伯特·胡克用自制的光學顯微鏡觀察軟木塞的切片時發(fā)現(xiàn)了殘存的植物細胞壁，列文虎克也通過自制的單式顯微鏡觀察并描述了單細胞生物，微生物學從此建立。

　　第二次科學革命期間，伴隨著細胞學說等生物學的全新研究出現(xiàn)，顯微鏡得到了迅速的發(fā)展，放大倍數(shù)不斷提高。而顯微鏡技術的發(fā)展，也為細胞與微生物的研究提供了巨大的幫助。然而，此時的顯微鏡仍然是利用光學透鏡產(chǎn)生的放大效應放大物體，受限于光的衍射現(xiàn)象，光能聚焦的小直徑只是光的波長的三分之一，因此光學顯微鏡的分辨率極限只能達到200納米。

　　電子顯微鏡打破光的束縛

　　第三次科學革命開始后，人類對物質(zhì)結構的認識進入微觀領域。電子的發(fā)現(xiàn)與德布羅意物質(zhì)波理論的提出，為電子顯微鏡的出現(xiàn)提供了基礎。以電子束作為光源，用波長更短的電波代替光波，就可以打破光學顯微鏡的分辨率極限。

　　1931年，德國的克諾爾和魯斯卡制造了一臺試驗性的電子顯微鏡，將樣品放大了十幾倍，證明了電子顯微鏡的可行性。僅在一年后，電子顯微鏡的分辨能力就達到了50納米，成功突破了光學顯微鏡的極限。而1996年球差矯正器出現(xiàn)，使電磁透鏡的像差得到矯正，電子顯微鏡的分辨率得到飛躍式的提升，在差不多十年間就達到了0.05納米。

　　現(xiàn)代顯微鏡超越極限

　　自電子顯微鏡出現(xiàn)后，顯微鏡技術的發(fā)展并沒有因此受到局限。20世紀以來，還有其他類型的顯微鏡出現(xiàn)，應用于不同的研究領域。掃描隧道顯微鏡與原子力顯微鏡在納米研究中大放光彩；掃描探針顯微鏡彌補了電子顯微鏡在觀察生物樣品時需要脫水干燥的不足，實現(xiàn)了活體顯微；光學顯微鏡也與計算機等新技術結合，煥發(fā)了新的活力。2018年，層疊衍射成像技術實現(xiàn)了0.04納米的分辨率，顯微鏡分辨率的吉尼斯新紀錄誕生。

　　顯微鏡的發(fā)展不會就此停步，0.04納米遠非人類追尋的目標。我們已經(jīng)觀察到了原子的結構，下一步還有質(zhì)子、中子、電子，然后還有夸克，夸克之后還有更深入的微觀世界、更多的未知等待人類探索。

　　顯微鏡的發(fā)展科研與儀器的相互促進

　　縱觀顯微鏡的發(fā)展歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)顯微鏡的發(fā)展史就是微觀領域研究的發(fā)展史，顯微鏡的每一次進步與突破必然伴隨著微觀領域研究的突破。光學顯微鏡讓人類發(fā)現(xiàn)了細胞與微生物，電子顯微鏡讓人類可以進行分子水平的觀察，掃描隧道顯微鏡讓人類得以研究物體表面的原子構造……

　　科研與儀器總是相互促進的。儀器為科研提供工具，儀器的進步讓科研有全新的發(fā)現(xiàn)，推動科研的發(fā)展。而科研的發(fā)展對儀器提出更高的要求，促使儀器不斷改進，適應科研的需求。從更大的層面說，儀器也是科研成果的實踐，科研的突破為儀器帶來新的理論基礎，讓儀器能運用更先進的技術發(fā)展自身?？蒲信c儀器本就是一體兩面。

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