科學(xué)家是如何看到原子和分子的？

原子和分子尺寸都很小，肉眼無(wú)法直接看到，那么科學(xué)家們是如何看到原子和分子的呢？這個(gè)問(wèn)題的答案其實(shí)非常簡(jiǎn)單——放大了看！科學(xué)家也不是超人，跟大家一樣，肉眼看不到的東西，就去把它放大就好了，顯微鏡就是這么被發(fā)明出來(lái)的。

　　在介紹科學(xué)家用的顯微鏡之前，我們先了解下要看的原子和分子是什么，它們到底有多小，這樣我們就能估算出需要放大多少倍才可以看到這些小東西。最后，我們?cè)傺刂鴼v史的發(fā)展看看歷代天才們的都發(fā)明了什么樣的顯微鏡。如果大家覺(jué)得文章太長(zhǎng)了，可以直接跳到最后一段，那里有最直接的答案。

　　原子的最早提出者是古希臘人留基伯（公元前500～約公元前440年），他是德謨克利特的老師。原子（atom）這一詞也來(lái)源于希臘語(yǔ)，原意即是不可分割。實(shí)際上，雖然物理學(xué)中依然可以將原子分割為更小的質(zhì)子、中子以及電子，但是在化學(xué)反應(yīng)中，原子依然是最小的單位。

　　原子到底有多大？這個(gè)問(wèn)題很難回答。因?yàn)樵邮怯稍雍撕秃送怆娮訕?gòu)成的，電子云的分布已經(jīng)涉及到了量子力學(xué)這個(gè)高大上的領(lǐng)域，再次不多贅述。簡(jiǎn)要一句話(huà)：電子云存在的空間并非絕對(duì)固定的。所以原子實(shí)際上并不是像大家想的一樣，有固定體積的物體。

　　原子的半徑有很多種，常見(jiàn)的有軌道半徑、范德華半徑（也稱(chēng)范式半徑）、共價(jià)半徑、金屬半徑等，同一原子依不同定義得到的原子半徑差別可能很大。根據(jù)原子序數(shù)和核外電子數(shù)量，原子的差別也會(huì)很大。但是大致來(lái)說(shuō)，原子的半徑在10-10米這個(gè)數(shù)量級(jí)上，也就是常說(shuō)的埃（?ngstrom或ANG或?）。人的頭發(fā)大約是60~90微米（6×10-5~9×10-5米），也就是說(shuō)一根頭發(fā)絲上可以橫著擺下60萬(wàn)到90萬(wàn)個(gè)原子，顯然用肉眼去看原子是完全不可能的。如果希望把原子放大到肉眼可見(jiàn)的程度，放大倍數(shù)需要在250萬(wàn)倍到300萬(wàn)倍之間。

　　分子（molecule）的定義是物質(zhì)中能夠獨(dú)立存在的相對(duì)穩(wěn)定，并保持該物質(zhì)物理化學(xué)特性的最小單元。比如兩個(gè)氧原子通過(guò)共價(jià)鍵可以形成一個(gè)氧分子。分子的尺寸比原子大得多，尺寸的不確定性也相對(duì)更低，氧分子的直徑約為3.46?（3.46×10-10米），二氧化碳分子直徑約為3.3 ?（3.3×10-10米）。一些大型的分子則尺寸更大，像是高溫超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7-δ在最長(zhǎng)的方向上尺寸可以超過(guò)10 ?，也就是1納米（1×10-9米）。那么想把分子放大到肉眼可見(jiàn)的程度，只需要放大100萬(wàn)倍到200萬(wàn)倍就可以了。但是實(shí)際上，雖然分子比原子要大得多，尺寸也更加固定，可想看到單個(gè)分子遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比看到原子要難得多。這是為什么呢？

　　分子的概念比原子出現(xiàn)的要晚得多，也要復(fù)雜得多。最早提出比較確切的分子概念的化學(xué)家是意大利阿伏伽德羅，他于1811年發(fā)表了分子學(xué)說(shuō)。在隨后的100年左右的時(shí)間內(nèi)，分子被看作比原子稍大的一種顆粒。但是隨著科學(xué)的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，很多“分子”中很難判斷實(shí)際上有多少原子（比如橡膠之類(lèi)的“高分子”）。

　　以最常見(jiàn)的水為例，如圖1所示。在氣態(tài)下，水分子以單個(gè)分子存在，即兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子以共價(jià)鍵的形式構(gòu)成一個(gè)水分子，水分子間沒(méi)有其他的明顯相互作用。氣態(tài)下，單個(gè)水分子的運(yùn)動(dòng)是非常劇烈的，而且完全沒(méi)有規(guī)律可以預(yù)測(cè)，只能以統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)去研究（統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)），這個(gè)時(shí)候極易區(qū)分單個(gè)水分子，我們可以很輕松地測(cè)量出單個(gè)水分子的直徑在氣態(tài)下約為4 ?（4×10-10米）。

　　但是當(dāng)在1個(gè)大氣壓下溫度降低到100℃以下時(shí)，水就變成了液體，也就是我們最常見(jiàn)的生命之源的狀態(tài)。這個(gè)時(shí)候，由于氧原子的極性很大，會(huì)導(dǎo)致一個(gè)分子中的氫原子和其它分子的氧原子間產(chǎn)生了某種作用力，這種作用力被稱(chēng)為氫鍵。正是由于氫鍵的存在，水才具有了反常高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，否則水在零下80度左右就該沸騰了，也就沒(méi)有我們的生命了（讓我們默默感謝下氫鍵?。ｋm然有著氫鍵等相互作用力，液態(tài)的水依然是沒(méi)有固定形狀的，這也就是孫子兵法里所說(shuō)的：水無(wú)常形。但是區(qū)別于氣態(tài)，相互間的部分作用力使得液態(tài)水分子有著諸如表面張力等現(xiàn)象。這種時(shí)候想?yún)^(qū)分單個(gè)水分子難度就非常大了。

　　當(dāng)溫度進(jìn)一步降低，水變成冰的時(shí)候，水分子間就會(huì)形成非常緊密的相互作用，從而在一定條件下展現(xiàn)出非常漂亮的形狀，如圖1中的照片所示。綜上可以看出，水從氣態(tài)到固態(tài)的過(guò)程，實(shí)際上是水分子之間相互作用不斷增強(qiáng)，活動(dòng)性不斷降低的一個(gè)過(guò)程。固態(tài)下所有分子都與周?chē)姆肿油耆Y(jié)合在一起。

圖1. 水的氣態(tài)和液態(tài)分子示意圖以及固態(tài)晶體照片，示意圖中實(shí)線(xiàn)表示共價(jià)鍵，虛線(xiàn)表示氫鍵（圖片來(lái)源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_77f4983d0102veuf.html）

　　所以“分子”很難被看到，不是因?yàn)樗降子卸嘈。饕氖羌词刮覀兛吹搅?，也沒(méi)法判斷哪部分是一個(gè)單個(gè)分子。在固態(tài)的物質(zhì)中，分子都是緊密排列在一起的，根據(jù)排列是否有序，可以分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩種形態(tài)。一般來(lái)說(shuō)對(duì)于晶態(tài)物質(zhì)，我們通常用可重復(fù)的最小幾何單元（晶胞）來(lái)代替常說(shuō)的“分子”。在下面的介紹中，我們所以提到的物體中的分子都是指晶胞。

　　現(xiàn)在讓我們從文明的起源開(kāi)始，追隨著科學(xué)的發(fā)展，看看我們的放大倍數(shù)是怎么一步一步增大的，記住我們的目標(biāo)是——300萬(wàn)倍。

　　人們對(duì)微觀世界的探索從未停息，但是早期人們只能通過(guò)自己的眼睛來(lái)觀察。雖然人的眼睛是一個(gè)結(jié)構(gòu)精巧的光學(xué)器件，但是畢竟不是專(zhuān)門(mén)用于看微觀世界的。所以即使眼神極好的人，大概也只能看到60微米左右東西，也就是人的頭發(fā)絲那么大。最早的用于幫助觀察的道具是我們中學(xué)物理學(xué)到過(guò)的凸透鏡，通過(guò)透鏡我們可以對(duì)物體進(jìn)行一定程度的放大，當(dāng)我們把物體放在凸透鏡的焦距以?xún)?nèi)，就會(huì)在焦距以外呈現(xiàn)出正立放大的虛像，這就是放大鏡的原理。

　　單一凸透鏡的放大倍數(shù)是由焦距決定的（放大倍數(shù)=25CM/焦距），而焦距則是由凸透鏡的折射率、兩側(cè)鏡面的曲率以及厚度決定的。這使得在未來(lái)的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，放大倍數(shù)是由玻璃制備和打磨工藝來(lái)決定的。雖然透鏡可以幫助我們進(jìn)行一定程度的放大，但是從本質(zhì)上說(shuō)，玻璃透鏡與人的眼睛是完全相同的結(jié)構(gòu)。所以我們可以將透鏡和顯微鏡理解為“超級(jí)眼睛”。

　　早期的透鏡放大倍數(shù)只有2~3倍，也許可以幫助視力不好的人看清楚字跡，但是我們離看到原子和分子還差得遠(yuǎn)。因此，我們需要新的工具。最先做出突出成績(jī)的是羅伯特·胡克（Robert Hooke），那位曾與牛頓打得天翻地覆的科學(xué)家。羅伯特·胡克不僅是一位造詣高深的理論學(xué)家，他發(fā)明了胡克定律，而且對(duì)行星引力平方反比定律做出了貢獻(xiàn)，他還是一位制作精密儀器的高手。他在1665年發(fā)表了著作《顯微圖片：或關(guān)于使用放大鏡對(duì)微小實(shí)體作生理學(xué)描述》（Microphagia: or Some PhysiologicalDescriptions of Miniature Bodies Made by Magnifying Glasses），在這本書(shū)里，他向讀者展示了一個(gè)紛繁復(fù)雜又奇妙無(wú)比的微觀世界。羅伯特·胡克在植物身上發(fā)現(xiàn)了很多小空洞，并講這些空洞命名為：細(xì)胞（cell）。他計(jì)算出一平方厘米軟木片上大約包含有195255750個(gè)空洞，如此巨大的數(shù)字在當(dāng)時(shí)的科學(xué)界還是極其罕見(jiàn)的。羅伯特·胡克在微觀世界上的突出貢獻(xiàn)完全歸功于他高超的顯微鏡制作技巧，以及那一臺(tái)可以放大到30倍的顯微鏡，這一放大倍數(shù)在當(dāng)時(shí)的光學(xué)界被認(rèn)為是鶴立雞群的。

　　但是僅僅10年后，羅伯特·胡克和倫敦皇家學(xué)會(huì)收到了荷蘭一個(gè)亞麻布料商人的投稿。這個(gè)叫做安東尼·范·列文虎克（Antonie Philips vanLeeuwenhoek）的荷蘭人在沒(méi)有受到過(guò)任何專(zhuān)業(yè)科學(xué)培訓(xùn)的情況下，通過(guò)自己的努力制備出了放大倍數(shù)達(dá)到275倍的顯微鏡。這一放大倍數(shù)不僅在當(dāng)時(shí)是驚人的，即使是在350年后的今天也是非常優(yōu)秀的，當(dāng)今一般高校實(shí)驗(yàn)室常用的光學(xué)顯微鏡也就只有200~500倍的放大倍數(shù)，不到列文胡克的兩倍。但是很遺憾，由于列文虎克對(duì)自己的技術(shù)守口如瓶，我們至今也不知道他當(dāng)時(shí)是如何制備出如此高放大倍數(shù)的顯微鏡的。在列文虎克40歲到91歲的50年期間（他并不是從40歲才開(kāi)始觀測(cè)，只是并沒(méi)有對(duì)外公布自己的結(jié)果而已），他向倫敦皇家學(xué)會(huì)提交了近200份報(bào)告。在這些報(bào)告中，列文虎克羅列了他所發(fā)現(xiàn)的一些事實(shí)，并配以精美的插圖，但是并沒(méi)有任何解釋說(shuō)明，如圖2 所示。列文虎克的報(bào)告中囊括了幾乎所有可以用于檢測(cè)的事物——面包霉、血細(xì)胞、牙齒、自己的唾液、精液甚至大便（提及后面兩樣時(shí)，他還說(shuō)為它們的惡臭表示道歉）。正是由于他的不斷觀測(cè)，我們才認(rèn)知到了細(xì)菌這種超小型生物的存在。雖然列文虎克在觀察微觀世界上卓有成效，但是300倍的放大倍率比起300萬(wàn)倍的目標(biāo)，僅僅是九牛一毛。

圖2. 列文虎克關(guān)于甲殼蟲(chóng)眼睛的一封信中的插圖（圖片來(lái)源：公有領(lǐng)域）

　　隨著科學(xué)和工業(yè)的不斷發(fā)展，顯微鏡在微觀領(lǐng)域中的作用越來(lái)越突出，細(xì)胞核、染色體、線(xiàn)粒體等細(xì)胞器被逐漸發(fā)現(xiàn)，但是顯微鏡的放大倍數(shù)并沒(méi)有顯著的提高。1886年，卡爾蔡司發(fā)明了阿比式鏡頭并改進(jìn)了復(fù)合式顯微鏡，進(jìn)一步提高了放大倍數(shù)。但是通過(guò)物理學(xué)研究，尤其是電磁波理論的研究（光是電磁波的一種），人們發(fā)現(xiàn)，光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)有一個(gè)無(wú)法逾越的極限。這個(gè)極限是由可見(jiàn)光的波長(zhǎng)決定的：任何小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的物體都會(huì)使可見(jiàn)光發(fā)生衍射，從而無(wú)法通過(guò)可見(jiàn)光被清晰地看到。目前為止，最頂級(jí)的光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)也只有2000倍，經(jīng)過(guò)350年的努力，我們僅僅在列文虎克的基礎(chǔ)上提高了不到7倍，這個(gè)進(jìn)展速度太慢了，300萬(wàn)倍的目標(biāo)依然遙不可及。

　　是時(shí)候拋棄光學(xué)顯微鏡，選擇另一條路線(xiàn)了。

　　既然放大倍數(shù)難以提升的癥結(jié)在于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)太長(zhǎng)了，那么選一個(gè)波長(zhǎng)短的就好了。20世紀(jì)初，科勒（K?hler）等人發(fā)明了紫外光顯微鏡，紫外線(xiàn)的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短，這使分辨率有了一定程度的提高，但紫外線(xiàn)仍不是最好的成像媒介，不能滿(mǎn)足科研和生產(chǎn)需要。

　　這個(gè)時(shí)代已經(jīng)是物理學(xué)大爆發(fā)的年代，洛倫茲、居里夫人、愛(ài)因斯坦、玻爾、泡利、海森堡、薛定諤，這些大家耳熟能詳?shù)奈锢韺W(xué)家紛紛登場(chǎng)。德布羅意是其中的一位，他是迄今為止唯一一個(gè)憑借博士畢業(yè)論文獲得諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家，他在1924年自己的博士論文中提到：電子是一種波，而且是一種波長(zhǎng)很短的波。1932年，柏林工業(yè)大學(xué)壓力實(shí)驗(yàn)室的年輕研究員盧斯卡（Ernst Ruska）和克諾爾（Max Knoll）對(duì)陰極射線(xiàn)示波器做了一些改進(jìn)，成功得到放大幾倍后的銅網(wǎng)圖像，確立了電子顯微法。1年后，1933年，盧斯卡成功制造出了能放大1萬(wàn)倍的電子顯微鏡，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了光學(xué)顯微鏡的極限。在53年后的1986年，盧斯卡因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是諾貝爾獎(jiǎng)史上等待時(shí)間最長(zhǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)摺?br />
　　電子顯微鏡的作用原理與光學(xué)顯微鏡完全不同，光學(xué)顯微鏡利用的是光在被測(cè)物體上發(fā)生的反射，然后通過(guò)透鏡收集直接進(jìn)入人的眼睛。電子顯微鏡則使用電子槍向被測(cè)物體發(fā)射高能電子束，電子束與被測(cè)物體發(fā)生作用產(chǎn)生一系列信號(hào)。正常人類(lèi)的眼睛顯然不具備收集這些電信號(hào)的能力，所以電子顯微鏡需要一套系統(tǒng)將電子信號(hào)轉(zhuǎn)化為人能看到的圖像。所以電子顯微鏡就像是“終結(jié)者”的電子眼一樣。

　　首先我們看看電子與物體相互作用會(huì)產(chǎn)生什么信號(hào)。電子與物體接觸，大部分的電子將被物體吸收，即吸收電子；有部分電子會(huì)被物體的原子核以近彈性散射的方式反彈回去，這就是背散射電子；有部分電子會(huì)把能量傳遞給物體原子的外層價(jià)電子并使之激發(fā)，這就是二次電子。當(dāng)被激發(fā)的電子不是外層價(jià)電子而是內(nèi)層電子時(shí)，外層電子會(huì)向內(nèi)躍遷并釋放出等同于兩個(gè)電子能級(jí)差的能量，這個(gè)能量以X射線(xiàn)的形式釋放，即為特征X射線(xiàn)，如果能量被吸收外層電子吸收并使外層電子躍遷，即為俄歇電子。如果物體非常?。{米級(jí)），還會(huì)有一部分電子穿透過(guò)去，即為透射電子。

入射電子與固體作用示意圖（圖片來(lái)源：作者繪制）

　　上述這些信號(hào)都被用來(lái)分析物質(zhì)，但是有一些是偏重于元素的（背散射電子、特征X射線(xiàn)以及俄歇電子），而二次電子和透射電子則是對(duì)被測(cè)物質(zhì)的形貌非常敏感的，所以他們也就被用來(lái)放大觀測(cè)微觀物體。電子顯微鏡根據(jù)接收信號(hào)的不同可以分為掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope）和透射電子顯微鏡（transmission electron microscope）兩大類(lèi)，其中掃描電鏡靠二次電子觀察形貌，而透射電鏡則利用透射電子。

　　掃描電鏡使用二次電子為觀測(cè)信號(hào)，二次電子能量極低，只可以從樣品表面小于10nm的范圍內(nèi)激發(fā)而出，這就使得掃描電鏡只能觀察到樣品表面的形貌，而無(wú)法獲得樣品整個(gè)的結(jié)構(gòu)信息。另外由于掃描電鏡無(wú)需穿透樣品，所以加速電壓相對(duì)較?。ㄐ∮?0 kV），這使得掃描電鏡的光斑相對(duì)較大，無(wú)法獲得極高的分辨率。一般普通的掃描電鏡的放大倍數(shù)不超過(guò)100萬(wàn)倍，分辨率大致在幾百納米的尺度上。而場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（field emission scanning electron microscope，F(xiàn)ESEM）可以有效地提高加速電壓以聚攏光斑，這就讓我們可以獲得更大的放大倍數(shù)（一般小于150萬(wàn)倍），并可以看到10~20nm左右的顆粒。150萬(wàn)倍的放大倍數(shù)足夠我們勉強(qiáng)看到比較大一些的分子（晶胞）了，但是距離要看到原子所需要的200萬(wàn)到300萬(wàn)倍，還有最后一段最艱難的路要走。

　　透射電鏡與掃描電鏡不同，它使用透射電子為觀測(cè)信號(hào)，這就需要樣品非常薄（納米級(jí)別）并且加速電壓很大（200 kV）。很薄的樣品加上非常高的電壓，可以使高能電子束穿過(guò)樣品并與其發(fā)生有限的相互作用，從而獲得整個(gè)樣品的結(jié)構(gòu)信息。高分辨透射電鏡的放大倍數(shù)可以達(dá)到200萬(wàn)倍以上，分辨率可以達(dá)到0.2nm，也就是2 ?。這個(gè)尺度下我們已經(jīng)可以輕易觀察分子（晶胞），所以透射電鏡在材料、化學(xué)以及生物領(lǐng)域都有著極大的用途。不僅如此，2 ?的分辨率也可以讓我們能夠看到到分子內(nèi)部整齊排列的原子。如圖3所示，這就是一個(gè)直徑為16nm左右的四氧化三鐵顆粒的高分辨透射電鏡照片。途中那些整齊排列的小圓球正是一個(gè)一個(gè)的原子，它們有的是鐵原子，有的是氧原子。圖中明顯可以看出這些原子在一定區(qū)域內(nèi)整齊排列，但是整個(gè)納米顆粒則分為了幾個(gè)不同的區(qū)域。這些區(qū)域就是分子（晶胞）。

圖3. 四氧化三鐵納米顆粒高分辨透射電鏡照片（圖片來(lái)源：Chem. Mater. 2011, 23, 4170–4180. dx.doi.org/10.1021/cm201078f）

　　通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，我們可以在一定程度下看到分子（晶胞），而高分辨透射電鏡不僅讓我們可以清晰地看到分子（晶胞），更可以讓我們一睹原子的芳容了?？茖W(xué)家們主要就是通過(guò)電子顯微鏡來(lái)放大并看到原子和分子的，似乎故事到這里就可以結(jié)束了……

　　慢著！科學(xué)家們并沒(méi)有滿(mǎn)足！我們現(xiàn)在雖然能清晰地看到原子了，但是看到的都是一片一片的原子。我們是否能夠看到單個(gè)原子，甚至操作原子呢？在觀測(cè)原子的道路上，電子顯微鏡遠(yuǎn)不是終點(diǎn)。

　　不論是光學(xué)顯微鏡還是電子顯微鏡，我們追求都是“看”到原子和分子，除了看，我們還能怎么觀察它們呢？我們想想盲人們是怎么觀察物體的——很簡(jiǎn)單，靠摸。我們是不是也可以摸一摸原子和分子，來(lái)得知他們的大小和形狀呢？帶著這個(gè)神奇的想法，科學(xué)家們嘗試做一個(gè)很細(xì)很細(xì)的“手指”，嘗試來(lái)“摸一摸”原子。

　　1981年，IBM的蘇黎世實(shí)驗(yàn)室中，格爾德·賓尼希（Gerd Binnig）及海因里?！ち_雷爾（Heinrich Rohrer）兩位科學(xué)家根據(jù)量子隧穿效應(yīng)，發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope），他們也因此獲得了1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　與電子顯微鏡不同，掃描隧道顯微鏡的工作原理出乎意料地簡(jiǎn)單，它跟我們見(jiàn)過(guò)的老式唱片機(jī)有著非常相似的工作原理。一根極細(xì)的探針（針尖僅僅由一個(gè)原子組成）慢慢通過(guò)被測(cè)物體，當(dāng)針尖帶有一個(gè)電荷時(shí)，一股電流從探針流出，通過(guò)整個(gè)材料。當(dāng)探針通過(guò)單個(gè)的原子時(shí)，流過(guò)探針的電流量便有所變化，這些變化被記錄下來(lái)。電流在流過(guò)一個(gè)原子的時(shí)候有漲有落，如此便極其細(xì)致地探出它的輪廓，原理示意圖如圖4所示。

　　掃描隧道顯微鏡已經(jīng)不是傳統(tǒng)的顯微鏡了，他并不是用某種信號(hào)（光或者電子）作用在某個(gè)區(qū)域上，然后收集反饋信號(hào)并加以分析，最終得到放大效果。掃描隧道顯微鏡直接通過(guò)原子和原子之間的作用，來(lái)從根本上逐個(gè)觀測(cè)原子。所以，掃描隧道顯微鏡不存在傳統(tǒng)意義上的“放大倍數(shù)”。但是由于他可以清晰地觀測(cè)單個(gè)原子，并且分辨率達(dá)到0.1nm，也就是1 ?，換算下來(lái)放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)300萬(wàn)倍。

圖4. 掃描隧道顯微鏡工作原理（圖片來(lái)源：Michael Schmid/CC BY-SA 2.0 Austria）

　　圖5左是高溫超導(dǎo)材料YBa2Cu3O7-δ復(fù)合薄膜截面的掃描隧道顯微鏡照片，從圖中我們可以清晰地看到一排一排整齊排列的原子，甚至我們可以明明白白地看到原子大小的不同。在白色的Y124和黃色的Y125所標(biāo)識(shí)的區(qū)域中，我們可以看出原子的排列到這里突然多了一層好像夾心餅干一樣，這就是材料學(xué)上常常提到的“位錯(cuò)”。

　　掃描隧道顯微鏡不僅可以觀察單個(gè)原子和原子的排列，還可以在低溫下（4K）用探針精密操作原子。早在1990年，美國(guó)IBM公司的兩位科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，在用掃描隧道顯微鏡觀察金屬表面氙原子時(shí)，探針怎么移動(dòng)，靠近探針的氙原子也會(huì)作同樣的移動(dòng)。由此他們得到啟發(fā)：如果讓原子按照我們?cè)O(shè)想的方案移動(dòng)，那不就可以隨便改變?cè)拥呐帕许樞騿?？于是他們?jīng)過(guò)22小時(shí)的努力，創(chuàng)造出了由幾十個(gè)氙原子排列成的IBM字母，如圖5右所示。

圖5. 左：YBa2Cu3O7-δ復(fù)合薄膜截面掃描隧道顯微鏡照片（圖片來(lái)源：北京工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)論文-葉帥）；右：用掃描隧道顯微鏡移動(dòng)氙原子排出的IBM圖樣（圖片來(lái)源：IBM）

　　雖然掃描隧道顯微鏡可以有效地看到單個(gè)原子并操縱它們，但是掃描隧道顯微鏡只能用來(lái)觀察導(dǎo)體，半導(dǎo)體的效果就很差了，而絕緣體則完全無(wú)法觀測(cè)。為了彌補(bǔ)這一缺陷，發(fā)明了掃描隧道顯微鏡的格爾德·賓尼希再接再厲，在1985年發(fā)明了原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）。原子力顯微鏡的原理與掃描隧道顯微鏡大致相同，都是通過(guò)探針和原子表面發(fā)生相互作用。但是最大的區(qū)別在于，原子力顯微鏡采用了原子間的相互作用（如范德華力）作為信號(hào)進(jìn)行收集，而非隧道電流，這就使得原子力顯微鏡可以觀察諸如陶瓷的絕緣體。

　　科學(xué)家們?cè)谧非罂吹皆雍头肿拥穆飞蠆^斗了兩千年了，最開(kāi)始人們選的是直接采用透鏡（顯微鏡）放大。從公元前人們發(fā)現(xiàn)透鏡可以放大一直到1674年列文虎克展示了他275倍的顯微鏡，光學(xué)顯微鏡達(dá)到了他最輝煌的時(shí)候，細(xì)胞、染色體、線(xiàn)粒體等耳熟能詳?shù)拿~都因它而問(wèn)世。但是在最后的350年內(nèi)，光學(xué)顯微鏡舉步維艱，放大倍數(shù)最大也沒(méi)有超過(guò)2000倍，這距離看到分子和原子還遠(yuǎn)得很。在20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)了電子束可以跟物體發(fā)生相互作用，并獲得物體微觀區(qū)域的形貌和結(jié)構(gòu)信息，電子顯微鏡應(yīng)運(yùn)而生。由于電子顯微鏡的發(fā)現(xiàn)，放大倍數(shù)呈現(xiàn)了跨越式增長(zhǎng)。隨著放大倍數(shù)的增加，我們看到了晶粒、晶胞，甚至通過(guò)高分辨透射電鏡我們可以清楚地看到一個(gè)一個(gè)整齊排列的原子。至此，科學(xué)家們并沒(méi)有停步，通過(guò)使用探針和物體表面單個(gè)原子的相互作用，他們制備了掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡，并成功地做到觀測(cè)并操作單個(gè)原子。

　　我們完全有理由相信，這些探索欲望無(wú)窮的科學(xué)家絕對(duì)不會(huì)滿(mǎn)足于現(xiàn)狀的，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，我們將期待更加先進(jìn)的設(shè)備讓我們更好地看到原子和分子。