@ 2018.08.07 , 16:00

细节前所未有丰富的原子照相技术

近半个世纪以来,我们已经能用电子显微镜拍摄到单个原子,但是还从未得到过如此规模的图像。

一种新方法可以捕捉和测量电子束的喷射,为我们提供了一个全新的视角窥探亚原子的世界,也为分子结构的研究领域开辟了新的道路。

去年,美国康奈尔大学的工程师为传统的电子显微镜进行了“眼科手术”,相当于矫正了电子显微镜的近视,并提升了收集和测量光线的方式。

现在我们以前所未有的清晰度测量了原子之间的化学键。

从根本上讲,所有的显微镜都以一种大同小异的方式进行工作——一列波动经过测量物体,波动的能量被物体收集和反射,我们接收到这些能量,借此判断出物体的形态。波长越小意味着细节越丰富。

电子可以表现出相当轻微的波动特性,具体取决于它们所包含的能量,这使它们非常适合用来当做观察小物体的工具。电子显微镜不使用镜头聚焦光线/电磁波,而是使用电磁场。

场中的像差限制了我们可以看到的物体的大小,就像镜头中的色差使图像模糊一样。工程师的通常手段是为电子显微镜佩戴一副“眼镜”,并添加校正装置来“修复”图片。

但是,这种修复手段目前已经达到了潜力的极限。多样像差需要大量的额外设备,从理论上讲,它们可以让工程师在噩梦中哭喊着醒来。

最新的技术,采用了一种被称为电子显微镜像素阵列检测器(EMPAD)的设备,它采用另一种方法消除了对“眼镜”的依赖。它就像是微观世界里棒球捕手的电子手套,由128×128电子高敏像素阵列组成,捕捉反射回来的电子。

它不是根据电子的位置来构建图像,而是检测每个电子反射的角度。

使用通常应用于X射线显微镜技术的傅里叶叠层成像(ptychography),可以构建一张四维地图,不仅掌握电子来自何处,还能测量出它们的动量。

该团队在两组堆叠的二硫化钼片状结构上测试EMPAD和ptychography的结合技术,每个片层只有一个原子的厚度。

细节前所未有丰富的原子照相技术
两层二硫化钼片状结构的显微图像,康奈尔大学

晶格(如上图所示)非常清晰,他们甚至发现少了一个硫原子。

除了用来吹嘘,该技术还展现了巨大的优势。

能量越高意味着波长越短。最先进的显微镜可以发射出300千电子伏特的电子流,可以分辨出0.05纳米以下的细节。

但是,更多的能量也会把电子喷嘴从温和的水枪变成危险的机枪,可能会击毁被观测分子。

而新的技术只需要较低能量水平的电子流——温和的80 keV能量的电子流还不足以破坏二硫化钼薄片的结构,因此可以用它们来做测试。

前所未有地,我们现在可以用低能量的电子来观察精细分子中的化学键,为电子显微镜提供更温和的触感,同时展现了全新的细节水平。

或许以后,亚原子世界的摄影作品会成为人们挂在墙上的艺术品。

这项研究发表在Nature上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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