可拍摄纳米单位,4D电子显微镜将被应用于医学领域

2010-10-11 20:09:50来源: 华文报摘

  -四维(4D)电子显微技术可拍摄到尺寸为纳米、持续时间短至数飞秒(10-15秒)过程中的“影片”。

  -这项技术是以在精确控制的时间下拍摄的数千张个别相片,再组合成一格画面。

  -这种技术的应用领域相当广泛,包括材料科学、纳米科技和医学等。

  人类的视力有其极限,我们看不见比人类头发(直径小于1毫米)细很多的东西,也无法分辨速度比眼睛眨动(1/10秒)还快的动作。当然,近1000 年来,光学和显微镜技术的长足进步,让我们得以大大超越肉眼视力的极限,看到极为细微的影像,例如病毒的显微影像;或是子弹打穿灯泡那千分之一秒的频闪相片。但是如果看见呈现原子样貌的影片,通常我们可以断定这应该是动画、艺术家的想象图,或是某种模拟画面。

  近10年来,我在美国加州理工学院的研究团队开发出新的显微技术,可显示原子尺度、时间短至1飞秒(10-15秒)的运动。由于这项技术可同时拍摄到时间和空间,而且是以普及的电子显微镜为基础,因此我将这项技术称为四维(4D)电子显微技术。我们以这种技术拍摄了许多现象,包括数纳米长悬臂的振动、石墨中碳原子层在受到激光脉冲“敲击”后的振动,以及物质的状态改变等。另外,我们也拍摄了蛋白质和细胞的影像。

  4D电子显微技术将可解答从材料科学到生物学等许多领域的问题,包括从原子到巨观尺度彻底了解材料的特性、纳米和微米机电系统(NEMS和 MEMS)如何运作,以及蛋白质或生物分子组合如何折迭并变成更大的结构,这是各种活细胞运作的重要过程。另外,4D电子显微技术还可显示纳米结构中原子的排列方式(原子排列方式可决定新纳米材料的特性),如果时间长度可短至阿秒(10-18秒),或许还能追踪电子在原子和分子内的移动。除了用于研究基础科学之外,其它用途也相当广泛,包括设计纳米机器和新型药物等。

一切从猫咪开始

  4D显微技术这种尖端科技,虽然是以先进的雷射装置和量子物理为基础,但许多运作原理可由科学家100多年前开发的停格动画摄影术加以说明。其中最重要的是1890年代法兰西学院教授马雷(尒ienne-Jules Marey)研究快速运动时,在移动的物体和摄影感光片(或感光条)之间,放置有狭缝的旋转圆盘,产生类似现代动画拍摄方式的连续曝光影像。

  在其它研究中,马雷研究猫落下时如何自己将身体回正,因此能以四脚着地。在没有东西可以依靠的状况下,猫如何凭借本能完成这样的特技而不违反牛顿运动定律?猫落下和腿部挥动的总时间不到一秒钟,如果没有其它辅助方式,人类没办法看清楚整个过程。马雷的停格快速摄影揭露了答案。猫是让身体的前半部和后半部朝相反方向旋转,同时先伸长腿部再缩回。高空跳伞员、舞者和航天员也必须学习类似的动作,让身体旋转。

  另外一种频闪摄影技术,则是以短暂的闪光捕捉发生时间极短、难以用机械快门捕捉的事件。闪光可让侦测装置(例如人眼或底片)暂时看见在黑暗中移动的物体。20世纪中叶,美国麻省理工学院的艾杰顿(Harold Edgerton)开发出的电子装置,可重复产生稳定且持续仅数微秒的闪光,为频闪摄影技术带来大幅进步。

  猫落下实验则需要够短的快门时间或频闪闪光,才能将正在动作中的动物清楚地拍摄下来。假设猫被放下之后0.5秒内可将身体回正,那一瞬间猫的落下速度为每秒5公尺,如果使用持续1毫秒的闪光,猫在每次曝光之际落下的距离不会超过5毫米,因运动而造成的影像模糊不会很明显;如果要将整个过程拍成10个画面,必须每隔50毫秒拍摄一张相片。

  

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关键字:医疗仪器  纳米  4D电子显微镜

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2010/1011/article_1567.html
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