超級顯微鏡可以看到十億分之一米的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)

據(jù)國外媒體報(bào)道，加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了一種新型超級X射線顯微鏡，其功能非常強(qiáng)大，具有極強(qiáng)的“貫穿透視”能力，可以透視材料深處的結(jié)構(gòu)，就像超人傳說中具有X射線功能的掃描視野。這臺(tái)超級顯微鏡可以看到納米級的結(jié)構(gòu)，也就是十億分之一米的細(xì)節(jié)。但是這還不是其全部功能，更不尋常是的：對于納米級的顯微觀測，并不是用類似鏡頭一樣的設(shè)備進(jìn)行拍攝，而是需要憑借超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的程序控制，才能完成顯微觀測。

整個(gè)超級顯微鏡的工作原理簡單描述是：將X射線儀器對準(zhǔn)要觀測的對象，通過設(shè)備收集觀測對象上反射回來X射線，接著由計(jì)算機(jī)程序（或者說是一種算法）將這些收集到的X射線參數(shù)轉(zhuǎn)換成衍射圖像。據(jù)加州大學(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)助理教授、研究小組的負(fù)責(zé)人奧列格（Oleg Shpyrko）介紹：這種復(fù)雜的觀測方法，其背后不僅涉及到高難度的物理過程，還涉及到數(shù)學(xué)上的問題。我們做這項(xiàng)研究的目的是為了體現(xiàn)我們能首次觀測到納米級別的結(jié)構(gòu)圖像，也就是說，我們不需要任何類似鏡頭那樣傳統(tǒng)的圖像成像手段，卻能看到納米級的情況。

下一步的發(fā)展是，我們將繼續(xù)完善這個(gè)超級顯微鏡，主要使用方向是為提高計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量進(jìn)行研究。使將來的計(jì)算機(jī)可以研制得更小，具有更強(qiáng)大運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。加州大學(xué)圣地亞哥分校磁學(xué)中心主任埃里克富勒頓（Eric Fullerton），同時(shí)也是本研究的另一個(gè)合作伙伴，同時(shí)也認(rèn)為：這臺(tái)超級顯微鏡將幫助計(jì)算機(jī)專家研發(fā)新一代的硬盤以及磁盤驅(qū)動(dòng)器，由于在目前磁盤表面上的數(shù)據(jù)磁位只有15納米的大小，所以要想提高單位存儲(chǔ)量，首先就要能看到這部分的結(jié)構(gòu)，才能提出改進(jìn)的方法。有了這臺(tái)超級顯微鏡的觀測能力，可以推動(dòng)我們在未來研發(fā)出數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)。同時(shí)，這個(gè)發(fā)展也適用于其他領(lǐng)域納米科學(xué)的研發(fā)工作，提高納米技術(shù)水平。

埃里克富勒頓主任強(qiáng)調(diào)：我們要推動(dòng)納米科學(xué)以及納米技術(shù)的進(jìn)步，我們得首先了解研究對象（材料）在納米級上是具有哪些行為。我們希望能夠使用這個(gè)技術(shù)使研究對象在人工受控下提高存儲(chǔ)能力的水平，當(dāng)然也可以應(yīng)用于生物或者化學(xué)領(lǐng)域，解決在納米級觀測上的操縱問題。而為了進(jìn)行納米級的研究工作，這臺(tái)超級顯微鏡允許你洞察你的研究對象在納米尺度上是什么樣情況，同時(shí)也可以看到這個(gè)尺度上的任何細(xì)節(jié)。由于沒有使用在類似鏡頭的成像器材，在觀測的過程中，要將一塊磁性材料包圍著觀測對象，或者在觀測過程中附加上儀器，能使得觀測“視野環(huán)境”出現(xiàn)變化，也就是說，這臺(tái)顯微鏡需要通過外因的作用，改變觀測視野。

（材料微觀圖像的藝術(shù)效果）

奧列格助理教授實(shí)驗(yàn)室的一位研究生阿希什特里帕蒂（Ashish Tripathi）則開發(fā)了一種算法來輔助這個(gè)超級X射線顯微鏡。在工作原理上，就是一個(gè)計(jì)算機(jī)程序。這是因?yàn)樵谶@臺(tái)顯微鏡研制初期，發(fā)現(xiàn)獲得的影響數(shù)據(jù)有些模糊，所以需要進(jìn)一步在算法上進(jìn)行修正。這個(gè)就像當(dāng)年美國航空航天局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空后，才發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了由于嚴(yán)重的球面鏡差所導(dǎo)致的成像模糊的情況，所以后續(xù)的補(bǔ)充完善工作還是需要的。類似的概念還體現(xiàn)在陸基天文臺(tái)，位于地面上的天文望遠(yuǎn)鏡在糾正圖像由于地球大氣層所造成的影響時(shí)，需要使用自適光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由電腦對望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行控制移動(dòng)微調(diào)。

但是，特里帕蒂開發(fā)的計(jì)算機(jī)算法是全新的，其中還有許多模擬的程序可以今后繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)然，這是一個(gè)龐大且艱巨的工作。為了測試這臺(tái)超級X射線顯微鏡的穿透能力和觀測納米尺度的細(xì)節(jié)問題，物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)分層薄膜，這個(gè)薄膜主要組成是釓和鐵元素。而這類薄膜目前正在信息技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究，用于發(fā)展高容量、體積更小、處理能力更快的計(jì)算機(jī)內(nèi)存和硬盤驅(qū)動(dòng)器。

通過這項(xiàng)研究，研究人員還發(fā)現(xiàn)了在觀測材料中加入磁性材料，在生成的影像數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了納米級的磁疇存在。而對此，奧列格認(rèn)為：實(shí)際上，這些材料會(huì)自發(fā)地形成磁條。在這臺(tái)超級X射線顯微鏡的觀測下，由釓和鐵元素組成的分層薄膜看上去有點(diǎn)兒類似果仁蜜餅甜點(diǎn)，它會(huì)逐漸變皺磁化形成一系列的磁疇，這情景就像我們指紋上重復(fù)螺旋的渦一樣。這個(gè)技術(shù)對于電腦工程師而言，是個(gè)非常重要的消息，這是我們在計(jì)算機(jī)納米領(lǐng)域的第一次的重要嘗試，同時(shí)也是具有極大的發(fā)展?jié)摿?，可以讓電腦工程師研發(fā)出越來越小的硬盤驅(qū)動(dòng)器，“塞進(jìn)”更多的海量數(shù)據(jù)。

由于這些材料是用越來越小的磁疇組成的，或者是越來越薄的類似指紋的樣式，可以將更多的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在一個(gè)越來越小的空間內(nèi)，而做到這一點(diǎn)的關(guān)鍵是想方法縮小磁位的大小。當(dāng)然，這個(gè)技術(shù)也可以應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)多種用途。除了在信息領(lǐng)域的研發(fā)，這臺(tái)顯微鏡可以通過調(diào)整X射線的能量，用于觀測由不同元素組成的觀測對象，這一點(diǎn)對于化學(xué)上的微觀研究是非常有幫助的。而在生物學(xué)上，這臺(tái)顯微鏡還可以用于研究病毒，讓醫(yī)學(xué)研究人員獲得病毒的影像數(shù)據(jù)，且在對于細(xì)胞以及不同類型的組織結(jié)構(gòu)成像上，比可見光原理的顯微鏡具有更高的空間分辨率。

本項(xiàng)研究中，研究人員還使用了芝加哥大學(xué)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的光子源，以及可以說是西半球最明亮的X射線源，該研究計(jì)劃也得到了美國能源部的支持。同時(shí)參與的研究方還有加州大學(xué)圣地亞哥分校的電氣和計(jì)算機(jī)工程的研究人員、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室等。