奇幻美丽的纳米世界
海力网 来源： 网易 2008-02-20 10:04:28
据美国《连线》杂志报道去年底，一支英国科学家首次拍下了一个进攻性病毒攻击酶和DNA链的实时纳米级影像，这是扫描探针显微镜发展中的最新突破。这些纳米光学显微镜科学家通过光栅扫描单个原子，制造出了一些令人惊叹的纳米级图像。在25届扫描隧道显微镜发展年会上，国际扫描探针显微镜图像竞赛展示了一组最佳的扫描隧道显微镜图像。以下是其中的部分作品。
光栅扫描技术的前身就是扫描隧道显微镜（简称STM），这是1986年的一项重大发明，它的创建者为此获得了诺贝尔奖。扫描隧道显微镜将一根电子探针深入到物质中，让科学家能看到高电子密度区域，从而推断单个原子和分子所在的位置。从而，科学家就可以精确制造出原子级别的精微图像。
1、量子森林
由德国实验室托斯顿·邓卓巴拍摄的这一图像显示了一片GeSi量子点“森林”，其实，它们只有15纳米高，直径也只有70纳米。
2、蓝宝石
随着纳米技术的不断发展，科学家正在探索创新办法来建造原子级别的结构。美国伊利诺斯大学香槟分校的斯科特·麦克拉伦及其同事一同建造了这张精美制作的蓝宝石衬底的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒级激光脉冲击打其表面而受热的，在此过程中，蓝宝石喷射出原子而留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再加热和再次喷射，形成了这里所展示的内部深层结构。1飞秒是千万亿分之一秒。
3、大肠杆菌
此大肠杆菌展示了其保存完好的仅仅30纳米长的鞭毛。科学家是用原子力显微镜（简称AFM）来拍摄到此图像的。原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子之间的范德华力作用来呈现样品的表面特性。与扫描隧道显微镜不同，原子力显微镜的尖端可直接接触到样品的表面。其尖端之间的力可以通过测量微型悬臂上的伸张力来计算。原子力显微镜如此灵敏，以至于小到只有几皮牛顿（一万亿分之一牛顿）的力出现时，它们也能探测得到。
4、纳米线
几种植物的叶子，包括荷花，展现出其自洁特性。这种所谓的“荷花效应”也叫作自清洁效应，那么，荷花何以出淤泥而不染？是因为它的表面十分光滑，污垢难以停留？不是。科学家用扫描电子显微镜观察，发现荷花的花瓣表面像毛玻璃一样毛糙，全是纳米级的“疙瘩”。这些“疙瘩”让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张2微米x 2微米图像显示一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米线是由化学汽相淀积处理而成的。当水滴落在此超级不沾水的纳米线上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。
5、蓝藻
此蓝藻图像是科学家为了解此蓝藻细胞壁如何帮助它运动所设计的一系列实验中拍摄到的。美国科学家将最新的原子力显微镜技术应用到生物系统中，如细胞分类、趋化现象和共生现象。原子力显微镜相当灵敏，科学家表示，甚至2位在网球场上打球的人之间的吸引力都能让它感受得到。
6、电荷
科学家用静电力显微镜（简称EFM）拍摄了这张直径只有18纳米的碳纳米管所释放电荷的绦虫似的图像，其明亮的光环是碳纳米管顶端释放电荷形成的，而放了电的碳纳米管则呈现暗色。与扫描隧道显微镜（STM）不同，静电力显微镜通过静电力来制造图像。科学家表示，静电力显微镜特别容易观察纳米世界下任何物体的静电行为。
7、溴原子
扫描隧道显微镜不仅仅只用于观察单个的原子，还可通达显微镜的尖端、一些精良的刻度尺和稳定的手来操纵单个的原子，如挑选原子或将它们从一边推到另一边。加拿大多伦多大学的化学家杨申云（音译）拍摄了此图像，证实了“这是一种分子级印刻的新办法”。杨申云说：“扫描隧道显微镜是一次一个人操纵原子的首个最好的工具。”通过此办法，杨申云成功将12个溴原子通过分子的自我组合排成一个圆圈。
8、花开
此13纳米x13纳米的图像显示通过分子束在单个金晶体上进行DIP和铜酞菁涂层所达到的效果。这些平面的有机分子展示出半导体的特性。此图像展现分子在特定情况下是如何自我排列的，此信息是科学家要建造未来半导体的关键之处。
在不久前的国际探针显微镜图像竞赛上，科学家向公众展示了一组最佳的隧道扫描显微镜图像。这些纳米级图像是科学家制作的艺术品。
9、血细胞
这些硬面包圈似的血细胞可帮助研究抗菌肽对细胞膜的影响。此图像显示人体血细胞经抗菌肽Phyllomelittin处理后的表面现象。Phyllomelittin是从猴树蛙是提取分离出来的一种新型抗菌肽。
超越微观之极：纳米的精美绘画
每隔半年，美国材料研究协会都会公布在研究过程中最引人注目的精美图片，这些照片是科学与艺术的完美结合。
以下是11张精美纳米级微观图片：
二氧化硅纳米线像向日葵
二氧化硅纳米线能够自行组成形成令人深刻印象的图案，香港中文大学教授郝少康在电子扫描显微镜下观看二氧化硅呈现出花卉的形状。不同于植物的是，这些花卉需要的“肥料”是镓和金催化剂。这些催化剂可让二氧化硅纳米线的长度增长至几微米，直径保持在10纳米左右。这幅精美纳米微观图片与真实的向日葵颇为相似。
氧化锌纳米微观像中国国画
新加坡南洋理工大学博士后研究员杨英辉(音译)在检测氧化锌纳米针的时候，意外地发现这呈现出典型的中国国画风格。通过对场景上色，杨英辉又绘画了一部分，使得氧化锌纳米微观图成为一幅精美中国国画。
聚合体像肿瘤
这张微观图片看起来像肿瘤或大脑横截面，这个聚合体是由美国伊利诺伊州阿尔贡国家实验室纳米级材料研究中心博士后Muruganathan Ramanathan拍摄的。他拍摄了超薄薄膜的精美图像，他用活性氧化铁蚀刻进行装饰，使用加热和溶液使其晶体化。这张微观图片拍摄结果更像是一幅现代艺术画，与科学研究似乎无关。
晶体管像山川湖泊
在美国斯坦福大学包哲楠(音译)和她的研究小组使有机晶体管成为更加先进的电子设备，她的一位研究生使用横向极化光显微镜将有机晶体管进行微观转换。从微观上观测，薄膜的明亮区域就像是山川湖泊，而金电极部分则像一面篱笆墙。
镍钛合金呈现柱状结构
当镍钛合金经受科学家加热的反复“虐待”，将返回至之前的状态，使科学家能够观测到美丽的图像。德国普朗克冶金研究所布里特-克拉克使用聚焦离子光束形成这些微型柱状结构，然后再用纳米刻压机进行压缩处理。最终克拉克通过传输电子显微镜呈现了这个微型金属棒的张力效应。
氧化钽晶体呈现悬崖奔跑的人
美国桑迪亚国家实验室科学家杰夫-布伦尼克将一个氧化钽晶体插入电子扫描显微镜中，并开始收集相应的呈像图片，此时他发现电子扫描显微镜并不清洁，包含有聚苯乙烯微小的珠子。但正是这种巧合形成了令人惊叹的图片：一个人正在向悬崖奔跑。
这张富有创意的微观图片在2008年材料研究协会春季科学艺术竞赛中获得第二名的好成绩。
金晶体表现悬臂细微活动
西班牙马德里大学维奥莱特-纳瓦罗使用原子力显微镜捕捉到几近完美的金晶体结构，图片显示的微小悬臂在晶体表面上往返转动，激光干涉仪在途经拐点时捕捉到其中的细微活动变化。
聚合体像河畔森林
这张图片是电子扫描显微镜覆盖一个多孔硅模具的聚合体图像，但是对于美国德克萨斯州大学研究员法蒂赫-布约克塞林来说，这看上去非常像哈得孙河畔的森林。
六角形结构
耐用薄膜允许质子经过是燃料电池的最重要部分，在瑞士洛桑理工学院博士生塞缪尔-摩尔米特将氧化铈和一个六角形镍格结合在一起，制成一种耐用的物质，可以使氢离子自由移动。
遥远星系
经过将一些钾铌氧化物堆积在硅表面，研究生迈克尔-塞格纳托维茨使用一个光学显微镜拍摄了这张图像，观看起来非常像一个遥远星系。
晶体看上去像彩色玻璃窗
虽然这张图片看上去像一个彩色玻璃窗，但实际上它是晶体顶部一层薄薄铁薄膜的磁畴，晶体由镁和镓砷酸盐制成。意大利ELETTRA同步辐射光源实验室研究人员索利曼?墨索奥尼使用X射线磁循环二色性技术，结合了光喷射显微镜创建了这幅令人惊异的图像。
一个纳米 一个世界
美国材料研究学会最近发布了一些由显微镜拍摄的最漂亮的科学艺术图像（2007 MRS春季会议“科学的艺术”得奖照片）。这些作品都是微米级或者纳米级的，是通过扫描电子显微镜(SEM)和扫描隧道显微镜(STM)拍摄的。
“从古典到量子艺术”_EeJinTeo_并列第一名
图1：在纳米晶体上画世界名画
利用高分辨率的聚焦离子束写入技术，科学家把十九世纪英国画家威廉·布莱克（William Blake）的经典名画转移到了可以精细调节的纳米晶体上。科学家称之为“量子艺术”。
这张由新加坡国立大学提供的名为“上古时代”的光致荧光照片其实就是多孔硅，精度为100微米。科学家先用聚焦氦离子束对多孔硅进行处理，然后在氢氟酸里用电化学腐蚀而成。由于量子限制效应，腐蚀后剩下的硅的骨架能发出可见光。
在这个图里，我们看到橙红色勾勒处的男人。他的脸和须发是用黑色完成的。这些黑色区域其实是用高的氦束剂量来达到的。他正伸出左手去拿红色球上的一副橙黄的圆规。
Anthradithiophene的花束_MatthewLloyd_并列第一名
图2：显示屏就像向日葵
这幅看上去像很多幅梵高名画《向日葵》的图片，其实是由美国科内尔大学提供的双噻吩蒽（Anthradithiophene）分子的显微图像。这种分子由五环组成，看起来像五朵向日葵花。虽然名称听上去很专业，但其实就是有机薄膜电晶体，可以用于显示屏，如OLED显示屏。
纳米黄金金字塔_JoelHenzie_第一名
图3：微观黄金金字塔
这是由美国西北大学提供的位于硅基座上的纳米金字塔的高分辨扫描电子显微镜照片。这种纳米颗粒阵列具有定向的光学性能。这种特性使得人们对于纳米尺度里的光和物质的相互作用具有了更深的理解。
科学家正在探索这种结构在化学、生物传感和纳米光子学等方面的应用。
砷化镓海底生物_CandaceLynch_并列第二名
图4：瑕疵之美造就海底生物
此名为“砷化镓海底生物”的照片其实是显微镜拍下的砷化镓表面的瑕疵。它是美国空军研究实验室利用诺马斯基（Nomarski ）相衬（微分干涉相衬）技术拍成的。拍摄时，有氢化物气体流过其表面。
纳米金表面的水滴_PhilBartlett_并列第二名
图5：纳米金表面上的水滴
这张图是纳米结构的金表面上的一滴水，这是由英国南汉普顿大学拍摄的，是通过电铸成模方法制备的纳米金。这些颜色是由白光反射和纳米金表面上的等离子体激元所形成的。
花粉上的黄昏_SamualShian_并列第二名
图6：花粉上的黄昏
这是一个二氧化钛花粉表面的扫描电子显微镜照片。此花粉是通过形状不变的“气-固”替换反应被转化成了氧化钛。其外观上的粒状表面是纳米晶体锐钛矿。此图经后续图片加工，增加了颜色和照明效果。（北京科技报 王金元编译）
氧化锡纳米线的扫描电镜照片_SureshDonthu_并列第一名
清晨林中漫步：Suresh Donthu, Northwestern University
氧化锡纳米线的扫描电镜照片
纳米棒棒糖_SarangIngole_第二名
这是一个侧面图，现实了搭在两个镍电极间的一根硅纳米线。在右边的那一头，纳米线连着一个小的纳米镍金属球，看起来就象是个棒棒糖。所以偶们叫它"纳米棒棒糖"。此图由日立S-4700场发射扫描电镜拍摄。样品法线跟电子束成85度角。
