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1、 探索微观世界 莫冰随着现代科技的不断进步，人类对宇宙的探索越来越向更宏观和更微观的两极发展，由此衍生了行星科学和纳米科学。“中国天眼”FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope）将我国的空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，然而我们在追求“看”得更高更远的同时，还要进入微观世界瞧一瞧，不仅要看得到，还要看得清。见微知著为何许多领域的研究人员执着于“看”清越来越小的微观世界？一方面，当物质的尺寸进入纳米尺度（100纳米），其性质会发生很大变化，常具有独特的光学、电子或机械性能。以黄金为例，纳米金颗粒不再金光闪闪，不同粒径可呈现
2、红色或蓝色。与固体黄金不同，纳米金颗粒是一种非常重要的免疫标记物，是基础研究和实验中的重要工具。另一方面，微观现象有助于理解宏观过程，进入微观世界才能从本质上理解宏观世界，正所谓“眼见为实”。研究人员发现在Apollo返回的月壤样品中广泛存在着纳米金属铁，这是月壤与地球土壤最主要的区别。研究月壤中的纳米铁不仅有助于理解月表的太空风化过程及演化历史，其存在对月壤性质的改变还对正确解译遥感数据乃至开展月球探测工程具有非常重要的意义。“微”有可觀光学显微镜的发明打开了人类通往微观世界的大门。自16世纪末显微镜发明起，人类陆续观察到血液循环、细胞以及细菌、寄生虫等微生物，形成了许多显微生物学基础认识，
3、丰富多彩的微观世界也随之进入人们的视野。人类之所以可以在探索未知的道路上不断前行，是因为基础理论研究的不断完善和技术人员对制造工艺的精益求精。在19世纪末，光学显微镜的分辨率已经达到0.2微米的理论极限1，成为了名副其实的科学工具，在生物学、医学、地质学、矿物学、材料科学等很多学科的发展过程中都起到了不可替代的作用。然而，人类从不甘于被“极”所限，被突破似乎就是极限的宿命。不同领域的研究人员对突破显微镜分辨率极限的执着和钻研，成就了电子显微镜和超分辨率光学显微镜的问世与发展，人类终于走进了纳米世界。“纳米级”世界电子显微镜的诞生得益于量子力学和电子光学的发展。1923年，德布罗意（Louis
4、de Broglie）首先提出了电子的波粒二象性，加之电子在磁场中运动轨迹的研究和电子透镜的出现，电子显微镜的诞生水到渠成，1931年历史上第一台电子显微镜问世。与各种新生事物的发展规律一致，电子显微镜在一路曲折中前进，如今的球差校正透射电子显微镜已具有超高分辨率，可以获得清晰的原子像。电子显微镜已不仅仅是一台超级放大镜，在配合其他探测器的情况下，样品的成分、结构乃至元素的化学态信息应有尽有。电子显微镜早已成为医学、材料科学、矿物学乃至行星科学领域必不可少的科研工具。超分辨率光学显微镜的理论于1994年被史蒂芬赫尔（Stefan W. Hell）提出并最终于2000年实现，其团队利用受激发湮灭
5、（STED）荧光显微技术成功打破衍射极限，将光学显微镜的分辨率极限拓展至纳米尺度，使人类看清了生物单分子。这一突破为赫尔赢得了2014年的诺贝尔化学奖。同年的诺贝尔化学奖获得者埃里克本茨格（Eric Betzig）和威廉 默尔纳（William E. Moerner）同样为超分辨光学显微镜的发展做出了突出贡献。前诺贝尔化学奖委员会主席斯文利丁（Sven Lidin）对三人的成就如此解释：传统化学研究的是大量的分子及其宏观效应，现在我们能够看到单个分子在化学系统里的活动，这意味着化学反应可以在发生的过程中被研究，而不只是能看到最终产物。人类在微观世界的探索之旅，皆是对“眼见为实”的锲而不舍。总有人在为突破极限苦苦追寻、不懈努力，显微镜的发展前景可待，未来可期，微观世界有更多精彩等待发现，让我们一起拭目以待吧！ -全文完-
