Caltech 4-D microscope revolutionizes the way we look at the nano world
http://www.physorg.com/news146409320.html
November 20, 2008
超過一世紀之前，最早動畫技術的發展使得先前所以為的「魔術」成真：捕捉並重建動作以及我們周遭世界的動態性。一種基於新概念的技術突破， 現在以一種相似的功績實現，不過那是在原子的尺度下。此技術首度能即時情將大小僅有十億分之一公尺的物質，其在結構與形狀上的轉瞬變化，完全的空間視覺化。
這種原子在金與石墨材料當中變化的「電影」（利用這種技術獲得），在一篇出現在 11/21 當期 Science 期刊的論文中詳述。（4D 顯微影片能在：http://ust.caltech.edu/movie_gallery/ 觀看）這種方法的概念性架構已在 2006 年由加州理工取得專利。
這種新技術，被封為 four-dimensional (4D) electron microscopy（4D 電子顯微術），在 Physical Biology Center for Ultrafast Science and Technology（超快科技物理生物學中心）被開發出來。該中心由 Ahmed Zewail 指導，Linus Pauling 化學教授，同時也是加州理工物理教授，以及 1999 年諾貝爾化學獎桂冠。
Zewail 因開創飛秒化學（femtochemistry）這門科學而贏得諾貝爾獎，那使用超短雷射閃光來觀察基礎的化學反應 -- 原子結合成分子接著再分裂成原子 -- 那發生在飛秒（femtosecond，10^-15 秒）的時間尺度下。這項研究 "捕捉到運動中的原子與分子，" Zewail 說，類似於 19 世界攝影家 Eadweard Muybridge 所快拍的、一匹馬在飛馳的定格靜物態攝影（那首度證明馬在疾馳時，四蹄均離開地面）還有其他移動中的物體的攝影。
運動中分子的快照 "賦予我們時間維度，" Zewail 說，"但我們所沒有的是空間維度，也就是結構。我們並不知道這匹「馬」看起來像什麼。它是否有長長的尾巴？美麗的眼睛？從 1999 年以來，我的夢想就是想出一種辦法，那不僅能看見時間也能夠看見空間域（spatial domain）；為了物理學或生物學上的事務，當某個複雜的系統隨著時間變化時，能在原子尺度下看見它的結構。"
科學家能用解析度比奈米還要好的電子顯微鏡觀看物體的靜態結構。之所以使用電子，是因為顯微鏡所用的輻射源的波長必須短於原子之間的空間。而且所使用的電子必須加速到極快的速度 -- 因為當其速度增加時，波長會縮短。
但只有電子並不足以捕捉到原子在時間與空間中的行為；電子必須小心發放，讓它能在特定的時間間隔內抵達樣本。Zewail 等人藉由將第四維的時間引入高解析度的電子顯微鏡實現了這件事，在所謂的超快「單電子」成像（ultrafast "single-electron" imaging）中，每個電子電子軌道均在時間與空間上受到精確控制。
每一個電子所產生的影像代表在片刻中一飛秒的靜止。如同膠卷上的一格畫面，由好幾百萬個這種影像所產生的連續性畫面，能被組成一段在原子尺度下運動的數位電影。
如同 Science 論文中的報告，Zewail 等人將他們的新 4D 電子顯微鏡應用在觀察超薄金與石墨薄片中的原子行為。石墨，鉛筆中的物質，由數層碳原子鎖入薄片般的陣列構成。這些原子以一種單一且協調的方式在飛秒時間尺度下移動。
然而，研究者發現，在稍長一點的皮秒（10^-12 秒）尺度下，石墨奈米薄片會產生聲波。在影像中，他們直接將薄片的彈性運動視覺化並測定出使它們聚在一起的力，那由一種稱為楊氏模數（Young's modulus）的壓力--張力特性來描述。從畫面中所產生的這些 4D 電影，揭露了在時、空當中的行為。
在第二篇刊載於當期 Nano Letters 上的論文中，Zewail 等人描述奈米厚的石墨薄膜在更長時間尺度中的變化，長達千分之一秒。研究者首度以熱脈衝轟炸樣本。被加熱的碳原子開始以一種隨機的、非同步化的方式振動。然而，隨著時間過去，當模式不同的物質被鎖相，新浮現的變成如心跳般「鼓動（drumming）」時，個別原子的振盪被同步化了。數位化影片，速度被放慢超過 10 億倍，描繪出這種奈米鼓動的力學現象，那顯示出一種明確的共鳴，那比人類鼓膜所能察覺的要高出近百倍。
"利用這種 4D 成像技術，原子尺度的運動，那導致結構上、形態上與奈米力學上的現象，現在能被直接視覺化，且有望能被了解，" Zewail 說。他現在正與 Grant Jensen，加州理工生物學副教授，將研究擴展到細胞之內的生物學造影。
研究者目前正使用 4D 顯微鏡來製造細胞成份的影像，例如蛋白質與核醣體（製造蛋白質的細胞機器）。他們已製造已染色大鼠細胞的影像，最近則有某種蛋白的結晶體還有在玻璃體液（vitreous water）中的細胞。Zewail 表示，"目標是在它們移動或惡化之前，藉由拍攝單一脈衝快照來強化這些在生物材料影像中的結構性解析度，並即時追蹤它們的動態。" （後面評語略譯）
※ 相關報導：
＊ 4D Imaging of Transient Structures and Morphologies in Ultrafast Electron Microscopy
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/sci;322/5905/1227
Brett Barwick, Hyun Soon Park, Oh-Hoon Kwon,＊ Nanoscale Mechanical Drumming Visualized by 4D Electron Microscopy
J. Spencer Baskin, Ahmed H. Zewail
Science 21 November 2008: Vol. 322. no. 5905, pp. 1227 - 1231
DOI: 10.1126/science.1164000
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl8029866
Oh-Hoon Kwon, Brett Barwick, Hyun Soon Park, J. Spencer Baskin＊ 以光控制奈米開關
and Ahmed H. Zewail
Nano Lett., 2008, 8 (11), pp 3557–3562
DOI: 10.1021/nl8029866
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