互动科普

受视力所限，我们看不清比头发丝（几分之一毫米）更细的物体，也分辨不出比眨眼（十分之一秒）更快的动作。毫无疑问，在上一个千年中，光学和显微学的进步早已让我们突破了裸眼的极限，得以窥见那些精微的图像，比如病毒的显微照片和频闪照片（stroboscopic photograph）上子弹击中灯泡时的毫秒瞬间。然而，即便是现在，如果看到一段有关原子运动的视频，我们仍会下意识地认为自己看到的是动画，是艺术家的想象，或者是电脑模拟出的影像。

过去十年，在美国加州理工学院,我的研究团队开发出一种全新的成像技术，可以显示在原子尺度上和短至1飞秒（千万亿分之一秒）的时间间隔内发生的各种运动。因为这项技术以电子显微镜为基础，既能对空间成像，也能对时间成像，所以我把它称为四维电子显微技术（four-dimensional electron microscopy）。凭借这项技术，我们已经拍摄过几十亿分之一米宽的悬臂的振动；受到激光脉冲“撞击”后，像鼓面一样振动的石墨碳原子层；以及一种物质从一种状态向另一种状态转变的过程。我们还拍摄过单个蛋白质分子和细胞的运动。

    四维电子显微技术的出现，有望解答从材料科学到生物学等诸多领域中的许多难题，比如怎样由下而上（从原子水平到宏观尺度）去认识一种材料的特性？纳米级或微米级机器如何运行？蛋白质和生物分子聚合体通过折叠形成更高级的组织结构，所有活体细胞中都在进行的这一重要生化过程又如何进行？四维显微技术可以揭示纳米结构的原子排列（这决定了新型纳米材料的性质），还有潜力去追踪原子和分子中的电子在若干阿秒（10-18秒）内的运动。伴随着基础科学的进步，四维电子显微技术有着广阔的应用前景，包括帮助科学家设计纳米机器，开发新型药物等。
 

猫和原子

要清晰拍摄一只从高处掉落的猫在空中的动作变化，快门时间必须短至数毫秒。如果我们拍摄的不是猫，而是一个原子的运动，快门时间需要短到什么程度？

尽管四维显微技术是一种尖端技术，有赖于先进的激光设备和量子物理学概念，但它的很多技术原理很容易理解，只要回顾一下100多年定格摄影技术（stop-motion photography）的发展历程即可。确切地说，那是在19世纪90年代，法国法兰西学院的艾蒂安－朱尔·马雷教授（Étienne-Jules Marey）为了研究高速运动，在运动物体与照相底板或感光胶带之间放置了一个带有裂缝的旋转圆盘，得到了运动物体一系列瞬间的快照，类似于现代电影胶片的底片。

马雷用这种方法做过许多研究，其中一项是研究一只从高处坠下的猫，看它如何调整姿势以便四肢着地。在空中，除了空气外没有任何东西可以借助，猫如何能在不违背牛顿运动定律的前提下完成这种特技杂耍般的动作？从跌落到调整四肢，全过程用时不足一秒，这一切来得太快，肉眼根本看不清到底发生了什么。马雷的定格快照提供了答案：猫的后半身和前半身朝相反方向扭动，同时要配合四肢的伸展或收缩。高台跳水运动员、舞蹈演员和宇航员都学会了类似动作用以调整身体。

 另一种观察方法是频闪摄影技术（stroboscopic photography）。这种技术使用高速闪光来拍摄极短时间内发生的、机械快门不可能拍到的事件。闪光能让观测者的眼睛或照相底板在那一瞬间“看到”黑暗中运动的物体。20世纪中期，美国麻省理工学院的哈罗尔德·艾德格通（Harold Edgerton）开发出一些电子元件，可以重复产生稳定的微秒级闪光，极大地改进了频闪摄影技术。

 坠猫实验要求快门时间足够短，或者频闪速度足够快，这样才能在猫下落的过程中拍到清晰照片。假设落下半秒后，猫已经调整好姿势。在这一瞬间，猫跌落的速度是每秒5米，因此使用一毫秒的闪光，我们就可以确保每次曝光时，猫下落的距离不超过5毫米，对照片的清晰度仅有轻微影响。如果要把猫的“特技动作”分解为10张快照，每50毫秒就必须拍摄一次。

如果我们想要观察一个分子而非一只猫的行为，频闪速度需要多快？分子或材料结构中的很多变化，都涉及到发生在几埃（1埃等于10-10米）尺度上的原子移动。要在照片上显示这种运动，空间分辨率需要小于1埃。原子在上述变化过程中的运动速度往往达到约1千米/秒，因此想拍摄到清晰度高于0.1 埃的照片，频闪时间就不能长于10飞秒。早在20世纪80年代，研究人员就曾用飞秒激光脉冲来给涉及到运动原子的化学过程计时，但这些原子在空间中的位置是拍不到的，因为光的波长比分子或材料中相邻原子的间距要长好几百倍。

      很久以前，科学家就用加速的电子来拍摄原子世界的场景——电子显微镜就是基于这种原理，但拍摄目标必须固定在适当的地方，而且由于受到相机拍照速度的限制，每隔数毫秒甚至更长时间才能拍摄一张照片。因此，如果我们要拍摄一部展现原子世界的“电影”，不仅需要电子显微镜这样的空间分辨率，还得有飞秒级的电子脉冲来“照亮”拍摄目标。用来照明的电子束称做探针脉冲（probe pulse）。

  另一个问题是，如何给运动计时——也就是确定原子运动是从哪一个瞬间开始的。如果所有的探针脉冲都闪现在原子运动开始前或结束后，我们就得不到任何有用的图片。在拍摄猫的案例中，从猫掉落的那一刻起，拍照记录便开始了。对于超快速事件的记录，一个飞秒级的初始脉冲（称作计时脉冲）会启动所要研究的这种材料或者过程。

  即便探针脉冲和计时脉冲是可控的，两者之间的同步依然是个问题。在这个问题上，拍摄典型的超快事件与拍摄猫完全不是一回事。如果一切按计划进行，马雷只要丢一只猫，而且只要丢一次，就能完成他的实验。就算在猫掉落5毫秒、10毫秒或17毫秒后才开始连续拍摄，也不会对结果造成任何影响。但在超快显微技术中，一个计时脉冲或许要探测数百万个原子或分子，又或许需要重复一个实验几千次才能完成一张显微图像。想象一下，如果马雷受到限制，每次猫掉落时，他只能拍摄整个场景中一个狭窄的垂直带状区域。想得到猫掉落时的一系列完整快照，他就得多次重复这个实验，每次记录一个略有不同的垂直带状区域。为了把这些带状区域合并成一张有意义的完整图片，马雷需要让猫每次坠落前都具有相同的初始状态，而且每次都要以相同的方式使快门打开与猫掉落的时间同步（每次掉落时，猫还得具有相同的姿势。在这一点上，我估计分子比猫更可靠一些）。

  猫的初始状态必须精确到猫身上的每一个小部分，时间同步上的误差必须要短于快门时间。同样，在原子或分子的超快成像中，初始形态必须精确到亚埃尺度，发出计时脉冲和探针脉冲的相对时间则须精确到飞秒。控制两种脉冲发出的相对时间不难办到：只要让其中一种脉冲通过一条长度可以调整的通道即可。对于以光速传播的脉冲来说，把传播路径的长度精确到微米，就相当于把相对时间精确到了3.3飞秒。

  用电子拍摄电影，还有一个重要的基础问题需要解决。与光子不同，电子带电会互相排斥。在一个脉冲里聚集太多的电子会破坏时间和空间分辨率，因为电子间的相互排斥会使脉冲弥散开来。20世纪80年代，德国柏林工业大学的奥列格·博斯坦约格洛（Oleg Bostanjoglo）确实用脉冲实现过成像，尽管脉冲所含电子仅有1亿个，但分辨率始终无法突破纳秒和微米尺度（后来，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科研人员做出过重大改进，使成像精度达到亚微米级）。

我的科研团队向这个难题发起了挑战。我们以先前的超快电子衍射研究为基础，开发出了单电子成像技术。每个探针脉冲只含有一个电子，因此只会为最终的影像贡献一个“光点”。但是，由于每个脉冲都进行了仔细的计时，脉冲之间还具有所谓的相干性（coherence），因此很多光点迭加在一起就能形成一幅有用的图像。量子力学中一个典型的古怪现象与此相似：电子能同时穿过两条狭缝，每个电子都会在检测屏上的不同位置随机形成一个光点，但所有光点迭加在一起之后，就会形成可以预测的明暗相间的干涉条纹。

 单电子成像是四维超快电子显微技术的关键所在。现在，我们可以给分子和材料拍摄电影了，去记录它们如何应对不同的情形，就像很多受惊的小猫在空中扭转身体一样。

像鼓一样振动的石墨

在一部显微“电影”中你会看到，受到激光脉冲的冲击时，石墨中的碳原子层会像鼓膜一样振动，只是振动速度高达每秒1010～1011次。

我们的第一个拍摄目标是石墨，也就是铅笔中的芯。我们选择石墨的部分原因是，它是一种特殊材料，可应用于核反应堆核心这样的极端环境，而且它还有一些同样不同寻常的“近亲”。石墨是一种层状结构，每层碳原子都排列成六角网格，就像铁丝网一样，层与层之间由相对较弱的化学键连接。我们用普通铅笔写字时，石墨笔芯就会层层脱落，粘附到纸面上。形成的笔迹含有微量的石墨烯（graphene），也就是石墨的单碳原子层，这是科学界已知强度最高的一种材料。目前，科学家对石墨烯投入了非常高的热情，希望把它制作成各种电子元件（《环球科学》2008年第5期《延续摩尔定律的新材料》）。另外，当质地较软的石墨受到极强大的压力时，碳原子就会重新排列，形成已知硬度最高的物质之一——钻石。

为了研究石墨应对机械冲击时的反应，我们选择纳米级的石墨晶体为观察对象。这些晶体由几个碳原子层构成，只有几纳米厚。我们以高强度的飞秒激光脉冲作为显微镜的计时脉冲，用它们冲击石墨晶体。每束激光脉冲都会使碳原子层暂时靠近，使它们上下振动。我们的电子显微镜发出的电子会穿过振动着的碳原子层，产生两种图像：实空间图像（a real-space image，很像是石墨表面的照片）或衍射图案。衍射图案是一个规则的点阵，它的精确构型为我们提供了有关碳原子在石墨网格中排列与间隔的信息。确切地说，我们可以根据衍射图案上点的移动，来追踪碳原子层的上下振动。它们的振动频率大概为10～100 GHz（每秒振动1010～1011次）。在此之前，还没有成像试验观测到频率如此之高的振动现象，并将它按照时间一步步分解开来展现在我们眼前。

根据测量结果，我们确定了石墨在碳原子层垂直方向上的弹性——这是受到挤压或拉伸时，石墨在垂直方向作出的反应。如果石墨晶体由很多刚性金属片堆积而成，金属片之间通过弹簧相连，激光脉冲就是打击顶层金属片的锤子。我们测量的正是那些弹簧的性质。

只要我们的“摄像机”镜头把石墨拉得足够近，就会发现“金属片”这个比喻非常形象。不过，如果把假想的镜头拉远一些，就能看到微小石墨晶体上的更多区域。现在，锤子击打在顶层“金属片”的某个区域，我们能很清楚地看到“金属片层”弯曲了，压缩和伸展从击打点以波的形式传播开来。

    如果把镜头拉得更远，以更慢的速度照相时，另一种动力学现象就会进入视野。现在，我们看到了激光脉冲使整个仅有几纳米厚的晶体振动起来的过程，就像用鼓槌敲击鼓膜一样。我们看到，在激光脉冲碰到晶体表面的最初几微秒，晶体的运动似乎是杂乱无章的，但随着时间的流逝，整个晶体进入一种很明确的振动状态，就像鼓膜在振动一样！

就这些振动而言，决定共振频率的是石墨中碳原子层的弹性，也就是碳原子层面对挤压或拉伸时作出的反应。我们发现，在石墨中，使单个碳原子层发生形变的难度，要大于使两个碳原子层靠拢或分开。这个结果可以这样解释：在每个由六角网格构成的碳原子层中，化学键的强度要远高于层与层之间的化学键。

虽然针对大块石墨样品的多项研究得到了跟我们相似的石墨弹性数据，但我们获得的信息却揭示了更多内容。这些信息解决了两个基础问题，有助于我们理解各种材料在纳米尺度下将会表现出怎样的特性。第一个问题是，我们通常把一种物质描述为具有某些特性（如弹性）的连续性材料，那么在何种尺度下，这种描述不再适用？第二个问题是，我们能否根据原子尺度下的行为反推，获知一种材料在宏观条件下的特性？拿石墨来说，我们惊讶地发现，即便是纳米尺度的样品（只含有十几个原子层），它们的行为也和大块材料类似。当样品厚度接近石墨烯时，这样的描述是否仍然成立呢？

我前面描述过的所有“石墨电影”都有赖于一个假设：探针电子和样品之间的碰撞不会导致能量损失，就像皮球撞到坚硬物体的表面而被弹回一样。不过，一个探针电子有时可能会激发碳原子中的电子而损失能量。损失能量的多少取决于碳原子的电子受到哪种化学键的束缚。利用一种问世已久的技术——电子能量损失谱（electron energy loss spectroscopy），我们可以测量探针电子损失了多少能量。由此得到的能谱可以给我们提供有关材料化学键及化学元素构成的信息。我们把这种技术应用于超快电子显微镜，结果证明在受到挤压时，石墨内部的化学键会向钻石特有的化学键转变，而在扩伸时，石墨表面碳原子间的化学键则向石墨烯的化学键转变。传统的电子能量损失谱因为观测速度太慢而无法检测到这样的变化。
      

从钢铁到细胞

四维显微技术可用于多个研究领域，研究各种微观事件，它将帮助科学家开发纳米机器和新型药物。

除了石墨外，我的研究团队已用四维显微技术研究过很多材料。我们曾利用衍射图，追踪观察铁的晶体结构从体心立方（body-centered cubic）向面心立方（face-centered cubic）的转变，这个过程常发生于高温下的工业生产，比如钢铁制造。我们在1纳秒内把铁从室温加热到1500K（1227℃）时，我们看到了两种动态过程。首先，做着无序运动的铁原子相对缓慢地（在纳秒级尺度上）形成面心立方结构，分布在铁晶体内的多个位置。然后，这些位置上新的晶体结构以声速向外扩散增长，仅用数皮秒（10-12秒）的时间就扩张至整个灼热的铁晶体。在这个快速扩散的相变过程中，大量铁原子以一种协调的方式变换着位置——这是由无数纳米级原子运动导致的晶体结构大规模改变的一种奇妙“演生”现象。理解这一现象，也许能催生更好的钢铁（以及许多其他材料的）冶炼工艺。

四维超快电子显微镜最强大的应用之一是，我们可以用它实时观察纳米或微米系统是如何发挥作用的。比如，我们拍摄到了纳米悬臂的振动现象——在我们之前，从未有人拍到过频率如此高的运动。根据观测结果，我们确定了一系列用以描述悬臂材料特性及其振动的物理量，而且我们还发现，在悬臂的1011次振动中，这些物理量都是适用的。研究人员可以利用这些数据测试那些用于指导微米和纳米机电系统设计的理论模型，而这些模型又可以催生出新的微型设备，并开发出新的用途。

    以超快电子显微镜为基础的四维成像技术还可用于生物学领域。要完全理解人体机能，研究人员不仅需要知道各种蛋白质及其他分子和细胞的结构，还得了解它们的动力学特征：蛋白质如何折叠，它们如何有选择性地识别其他分子，蛋白质周围的水分子有哪些作用……某些生物功能涉及超快的反应步骤。比如，我们的视力与植物的光合作用都有赖于光子激发的生物反应，反应时间都是飞秒级的。虽然很多蛋白质在发挥功能或功能失常时所用的时间都远长于飞秒，但原子或分子在最初几飞秒的运动，却决定了这些生物大分子最终能否正确折叠,形成具有生物活性的结构。

   一项有关蛋白质折叠的研究表明，上述技术确实是我们所需要的，利用这些技术，我们又能得到怎样的结果。我和同事做过这样一项研究，把一小段蛋白质浸在水中，然后加热，看它能以多快的速度折叠成螺旋结构——这个过程叫做超快温度跳跃（ultrafast temperature jump，螺旋结构广泛存在于各种蛋白质中）。我们发现，短小螺旋结构的形成速度比研究人员原来预计的快了1 000倍——只花了几百飞秒到几纳秒的时间，而不是通常认为的数微秒。蛋白质折叠居然如此快速，这个结果或许会让我们对生化过程(包括与疾病相关的生化机制）产生新的认识。

    四维超快生物成像技术往往有赖于一种成熟技术——冷冻电子显微镜（cryoelectron microscopy）。成像时，研究人员会把样品放入水中，再把含有样品的水迅速放入液态乙烷（liquid ethane，沸点为－89℃）。水会冻结成玻璃状固体，这种状态的凝固体与常见的冰晶不同，它不会衍射电子，降低成像质量（也不会损坏样品）。利用这种技术，我们已经拍摄到细菌细胞和蛋白质晶体的图像。未来，我们还想观测蛋白质在玻璃状水体中的折叠和展开：一个计时脉冲会加热蛋白质周围的玻璃状水体，使之融化成小水滴，蛋白质先会展开，然后迅速地重新折叠。等到小水滴冷却，再次冻结时，包裹在水滴中的分子已经恢复原样，准备好接受下一个计时脉冲的冲击了。我们也可以用同样的方法，来观测细菌鞭毛和细胞膜上脂质双分子层的动力学特征。就像在石墨研究中那样，凭借超快电子能量损失谱，我们还能发现化学键的变化。在生物系统移动或分解之前拍摄的图像，将比现有的冷冻电子显微镜拍摄的图像更清晰。

各种超快电子显微技术的出现，或许会全面推进纳米尺度下的结构动力学研究，对物质中电子分布进行的成像也有望达到飞秒水平。最近，我在美国加州理工学院的研究团队展示了两种新技术。一种是会聚束超快电子显微技术——电子束会被聚焦，仅会探测样品上一个纳米大小的位点。另一种是近场超快电子显微技术，能够拍摄高强度激光脉冲在纳米结构内激发出的瞬时性电磁波——近年兴起的等离激子技术就建立在这种现象的基础之上（参见《环球科学》2007年第5期《等离激子的神奇应用》一文）。科学家用近场超快电子显微技术技术拍摄到的细菌细胞膜和蛋白质囊泡的图像，在分辨率上已达到飞秒和纳米水平。

最近几年，德国慕尼黑大学的费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）、加拿大渥太华大学的保罗·科克姆（Paul Corkum）等科学家利用超短激光脉冲，打开了光学研究的阿秒（attosecond）之门。在美国加州理工学院，我们已经提出了数个超快电子显微方案，用于阿秒水平的电子成像。目前，我们正与美国内布拉斯加大学林肯分校的赫尔曼·巴泰兰（Herman Batelaan）合作，希望在实验中实现阿秒级成像。

电子显微镜功能强大，用途多样。它可以在3种不同的模式下运行，分别获得实空间图像、衍射图案和能量谱。从材料学到矿物学，再到纳米科学与生物学，电子显微镜都有用武之地，让科学家能以极高的分辨率观察静态结构。引入第四个维度后，我们正把把静态图片变成动态的“电影”，观察从原子到细胞的各种物质的行为如何随时间演变。