4D超高速電子顯微鏡原理、發(fā)展、貢獻

4D超高速電子顯微鏡原理
受限于人類的身體構造，人類的視力是很極限的，能看到的東西也是有很大限制的，比如比人類頭發(fā)細很多的東西，就無法用人眼分辨，或者像那種速度是眼睛眨動1/10秒的動作，人類也一樣看不到的，在這種條件下，人類想去觀察和探尋一些東西，就需要使用光學和顯微鏡技術，這樣就可以看到極為細微的影像，例如病毒的顯微影像。
在最近的這些年，美國加州理工學院的研究團隊一直在研究一個新的顯微鏡技術，研究的目的主要是為了同時拍攝到時間和空間，因此行業(yè)將這項技術命名為四維(4D)電子顯微技術，4D顯微技術這種尖端科技，主要基礎是先進的雷射裝置和量子物理，但其實原理上就很簡單，就是一種停格動畫攝影術。這種停格動畫攝影術發(fā)明于1890年，是法蘭西學院教授馬雷(尒ienne-JulesMarey)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(xù)曝光影像。
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、納米和微米機電系統(NEMS和MEMS)如何運作，以及蛋白質或生物分子組合如何折迭并變成更大的結構，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納米結構中原子的排列方式，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。除了用于研究基礎科學之外，其它用途也相當廣泛，包括設計納米機器和新型藥物等。

四維超高速電子顯微鏡的發(fā)展
4D超高速電子顯微鏡的最初是叫四維電子顯微鏡的！早在2008年的時候美國科學家就制造出了第一臺四維電子顯微鏡，能夠用來觀察原子尺度物質結構和形狀在極短時間內所發(fā)生的變化。科學家用它拍攝了金和石墨原子的活動。相關論文發(fā)表在11月21日的《科學》（Science）雜志上。
該項研究由1999年諾貝爾化學獎得主加州理工學院教授Ahmed Zewail領導完成。Zewail表示，給運動中的分子“拍照”為我們提供了時間維度信息，但無法了解空間維度相關信息。
用電子顯微鏡科學家可以得到分辨率十億分之一米以上的物體三維靜態(tài)結構，由于電子速度越快，其波長越小，所以一般都會把電子加速到極高速度。但光有電子是無法同時在空間和時間尺度上觀測原子行為的?？茖W家必須小心地控制電子，以使其在特定的時間間隔到達樣本。Zewail和同事通過精確地控制電子，成功地在高分辨率電子顯微方法中引入了第四維——時間。
Zewail和同事用他們發(fā)明的“攝影術”觀測了超薄金箔和石墨層的原子行為。石墨由許多碳原子層組成，在飛秒時間級中，這些原子會進行獨特而一致的運動。但是研究人員發(fā)現在稍微長一些的時間級——皮秒中，石墨納米層能發(fā)出聲波，研究得到的四維影像展現了這一過程。
研究小組關于此項進展的第二篇論文發(fā)表在《納米快報》上，Zewail和同事在這篇論文中描述了納米厚度石墨層在更長時間——長達千分之一秒——中是如何變化的。
Zewail表示：“這一全新的四維觀測技術可以非常直觀、清晰易懂地表現引發(fā)物質結構、形態(tài)、納米運動現象的原子級別的變化。”Zewail與加州理工生物學副教授Grant Jensen目前正在合作，試圖將這一觀測手段引入細胞內生物成像領域。
劍橋大學著名電子顯微術專家John Thomas說：“這一發(fā)明及其應用是如此具有革命性意義，從此無數物理和生物科學的探索將得以開展。”
加州理工化學與化學工程學院院長David Tirrell說：“這一技術生成的系列圖像是非凡的，不僅提供了前所未有的觀察分子和材料行為的手段，還使得從時間和空間尺度上直接觀察復雜的結構變化成為可能，這一成果將使我們找到理解分子和材料的根本性的新方法。”
加州理工學院教務長Edward M. Stolper表示：“觀測手段的提高對多個科學和技術領域的進展都有重要意義，Ahmed的這一開創(chuàng)性工作將領導新的科學和技術前沿。

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