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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(guān)鍵詞：顯微鏡閱讀量：4129

　　【儀器網(wǎng) 時事聚焦】當(dāng)天文望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)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(kuò)展到納米級的微觀世界，讓人類觀察到了原子的結(jié)構(gòu)?？吹酶h(yuǎn)、看得更小是人類在探索世界的過程中不斷追求的目標(biāo)。

　　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(xì)微事物的興趣從未改變。

　　光學(xué)顯微鏡邁向微觀世界的步

　　與望遠(yuǎn)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(xué)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(fù)眼進(jìn)行了描述，這也意味著顯微鏡開始進(jìn)入生物學(xué)的研究中。隨后，羅伯特·胡克用自制的光學(xué)顯微鏡觀察軟木塞的切片時發(fā)現(xiàn)了殘存的植物細(xì)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(xì)胞生物，微生物學(xué)從此建立。

　　第二次科學(xué)革命期間，伴隨著細(xì)胞學(xué)說等生物學(xué)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(shù)的發(fā)展，也為細(xì)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(xué)透鏡產(chǎn)生的放大效應(yīng)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(xué)顯微鏡的分辨率極限只能達(dá)到200納米。

　　電子顯微鏡打破光的束縛

　　第三次科學(xué)革命開始后，人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識進(jìn)入微觀領(lǐng)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(chǔ)。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(xué)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(dá)到了50納米，成功突破了光學(xué)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(dá)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(shù)的發(fā)展并沒有因此受到局限。20世紀(jì)以來，還有其他類型的顯微鏡出現(xiàn)，應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)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(bǔ)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(xué)顯微鏡也與計算機(jī)等新技術(shù)結(jié)合，煥發(fā)了新的活力。2018年，層疊衍射成像技術(shù)實現(xiàn)了0.04納米的分辨率，顯微鏡分辨率的吉尼斯新紀(jì)錄誕生。

　　顯微鏡的發(fā)展不會就此停步，0.04納米遠(yuǎn)非人類追尋的目標(biāo)。我們已經(jīng)觀察到了原子的結(jié)構(gòu)，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(jìn)

　　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(lǐng)域研究的發(fā)展史，顯微鏡的每一次進(jìn)步與突破必然伴隨著微觀領(lǐng)域研究的突破。光學(xué)顯微鏡讓人類發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞與微生物，電子顯微鏡讓人類可以進(jìn)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(gòu)造……

　　科研與儀器總是相互促進(jìn)的。儀器為科研提供工具，儀器的進(jìn)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(jìn)，適應(yīng)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(chǔ)，讓儀器能運用更先進(jìn)的技術(shù)發(fā)展自身?？蒲信c儀器本就是一體兩面。

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