他们看到了人类从未看过的图像

这是一项新的吉尼斯世界纪录，他们花了两年时间，把电子显微镜成像空间分辨率降低到了0.039纳米。

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作者 / 袁文幻    

编辑 / 秦珍子

这是一张特别的“圣诞卡片”，上面有人类从未看到过的图像。

上一个圣诞节前，美国康奈尔大学应用与工程物理系的博士生姜毅在电脑上看到它：有的原子像训练有素的士兵围成圆圈，越往中间靠拢，它们的间距就越小。有的原子排列成双，像舞会上的一对对搭档。

“就像一张有漂亮、对称图案的地毯。”和姜毅同在一个实验组的博士后陈震对中国青年报·中青在线回忆道。

这是一项新的吉尼斯世界纪录，他们所在的研究团队将电子显微镜成像空间分辨率降低到0.039纳米。也就是说，相距0.039纳米的两个原子，各自的“容貌”都能被清晰辨认。此前，由于它们挨得太近，距离是一根头发丝的250万分之一，所以从来没能被“你是你，它是它”地看清楚。

为了直观地展示这把“世界上最短的尺子”，他们在观测样品上费了很多心思，最终确定将两片薄薄的单层二硫化钼旋转6.8度叠加，错开的那一点就是这把尺子的长度。单层二硫化钼相当于3层原子摞在一起，厚度仅有0.4纳米。

姜毅的第一反应是“真的吗”。仔细比对理论模型和眼前的这张图片，姜毅和陈震确定他们成功了。

他们已经花了近两年时间，所有努力都要小心翼翼。

一束80千电子伏特的电子束被射击到精心选择的材料上，电压很低，为了保护材料结构不被射击损耗。但它的威力仍不容小觑，射出的速度接近光速的一半。

经过一系列电磁透镜后，电子被散射在四周。圆柱体的探测器发挥了相机的作用，它要拍得足够快，避免材料移动和损伤。实验团队的这台相机拍出了一秒钟1100张照片的好成绩，并且收集到了所有角度的电子。

这是领先于过去成像方法的一个重要步骤，以前看不清是因为探测器只收集了一部分散射的电子。此前，在同样的低电压情况下，得到的空间分辨率一般小于0.1纳米。两张图相比，一个线条模糊，一个能看得颗粒分明。

一阵微风吹来，或手掌轻拍桌面，对纳米尺度的成像来说都是大震动。单电子的灵敏度也要强，打到探测器上要有反应。噪音还要小，研究人员要能准确判断电子的数量。动态范围也要大，它是指光最大值和最小值的比值。就比如相机在晚上拍摄物体，离灯光近的地方亮，暗的地方就看不到了。这台相机要既能拍到光弱的地方，也能拍到光强的地方，获得完整的图像。

最后，要把“相机”捕捉的所有信号收集起来，用算法在电脑上重构图像。

这支研究团队由大卫·穆勒教授领衔，研究成果发表在7月18日的《自然》杂志上，来自中国的姜毅和陈震是文章的共同第一作者。

人类一直在追寻一个古老的问题，“世界是由什么组成的”。但人类的肉眼只能分辨直径大于0.1毫米的物体，“发丝”“针尖”几乎是我们用眼睛能看到的最小的东西。

有的人仰望茫茫星空，有的人低头寻找可见之物，总有一些人保持着好奇心。

338年前，荷兰人安东尼·列文虎克被英国皇家学会授予会员，他只是个没读过多少书的布匹商人，只会荷兰文，连用拉丁文写的科学读物都看不懂。但英国皇家学会还是十分惊喜地相中了他。

因为列文虎克磨制了一块透镜，在下方装一块铜板，再钻一个小孔，这就是一台简易显微镜的雏形。他把手上的皮肤、蜜蜂腿上的毛、蚊子的腿都放到镜片下审视，发现了很多有意思的景象。经过不断改进，他能看到一滴雨水里有许多头部伸出两只角的生物，于是给皇家学会写信道“比全荷兰的人数还多许多”。他还发现了精子。

以至于几百年后，一个学生物的女孩在网络上对他表白：“亲爱的列文虎克男神，请听我为您带来一首《你是我的眼》，‘因为你是我的眼，让我看见，这世界就在我眼前。’”这位网友小时候央求父亲把单位的显微镜借回家，虽然“又旧又笨重”，但她还是兴奋地把各种叶子、种子和羽毛放到镜头下，“我拥有了微观的世界”。

如果有心分析诺贝尔奖获得者，也会发现科学家能看到的微观世界越来越丰富了。从1907年开始，已经有22个奖项颁给了与显微有关的技术。科学家看到活细胞，看到蛋白质大分子，看到HIV病毒怎样侵袭人类的T免疫细胞，看到癌细胞如何扩散，也看到钢铁里有雪花一般的树状组织。

“有些东西完全没有人看到过，我们看到了。”陈震回忆起发现新奇结构时的兴奋。最近他看到原子自然形成的一种像积木的方块和拼图般的造型，如同美术画作。有时他也会“职业病发作”，看到一个物体，并不是看它的颜色和形状，而是像透视一样思考它内部的结构。

不只是科学家，微观世界的魅力也逐渐散播到普通人中。日本相机制造商尼康已经举办了43届显微世界摄影大赛。从世界各地传来的照片里，海藻正在释放子海藻，像张大嘴吐泡泡的圆脑袋海怪；人类皮肤细胞中的角蛋白结构，经过染色，就像被镶嵌在木盒里的蓝宝石，它也是皮肤癌诊断的标志物；蝴蝶翅膀背面的鳞片，如铠甲一般，中间两条柱显示着力量。它们的拍摄者有教师、医生，还有其他微观世界的爱好者。

探究生命和自然的奥秘，“看清”是很多工作的第一步。根据陈震介绍，他们的研究应用范围很广，比如在材料领域，石墨烯“可以像一张纸折叠和扭曲，这样得到的新的材料从上方往下方看，视野会被遮住，原子间间距会变小，普通的成像分辨率难以分开”。在生物领域，冷冻电镜解析生物大分子，比如蛋白质的结构如今已经接近可以达到的分辨率的极限，但它还需要被看得更清楚，“我们的方法提供了一个新的方向”。

另据媒体报道，这项研究也将和康奈尔大学代谢物理中心合作，研究癌症是如何在细胞间发展。19年前，诺贝尔化学奖获得者理查德·斯莫利在美国国会众议院的听证会上介绍纳米科技，他期待纳米级药物可以定向杀死突变的癌细胞，“癌症，将永远成为过去”。那时他正饱受淋巴癌的折磨，脸颊凹陷，头发几乎掉光。

人们还不知道世界大有多大，小有多小。哈勃望远镜在宇宙130亿光年处拍到了最遥远的星系，它被命名为z8_GND_5296，但这并不是宇宙的边界。1897年汤姆森往阴极射线上加电场和磁场，发现人类第一种基本粒子，打开了微观世界的大门。原子、原子核、介子、夸克、轻子、前子不断被发现，最近也时常有发现新粒子的声音。

破了空间分辨率的记录后，姜毅和陈震过了一个轻松的圣诞节假期。但他们当时觉得技术还远没有达到理想的状态，他们还想看得更清晰。

原文刊载于《中国青年报》2018年8月8日11版

袁文幻

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微信见习编辑：魏其濛

审核：郑萍

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