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美科学家发明超级显微镜 重新定义清晰的成像
 
慧聪网   2005年4月26日17时0分   信息来源:中国科技信息网Chinainfo    

    根据physorg网4月21日报道,美国加州伯克利大学的一组科学家目前已研制出一种新型超级镜片,这种镜片能够突破长期以来限制光学成像清晰度的物理上限,它重新定义了“更加清晰的成像”这一概念。 

    利用一层薄薄的银膜镜片和紫外线,研究者们成功地对一排纳米线和一个刻在有机高分子膜上的单词“NANO”进行成像,分辨率高达60毫微米。相比之下,利用目前的光学显微镜只能够清晰的观察到大小为红血球细胞十分之一的物体,分辨率大约为400毫微米。 

    4月21日的《科学》上刊登了这项重要发明。研究者称,这标志着纳米工程学又取得了突破性的进展,意味着现在使用一张DVD光碟就能储存美国国会图书馆的所有资料,而且计算机处理器可以快速对如此巨大的海量信息进行检索。 

    “目前许多技术都涉及光学领域,包括制造半导体集成电路使用的成像技术和光学加工技术(光刻技术),”张翔(音译)说,他目前是美国加州伯克利大学机械工程学教授也是这项研究的主要研究人员。“我们的研究将对复杂生物医学成像、高密度电子电路学和针对光纤通讯研究等学科的发展产生深远的影响。” 

    尼古拉斯·方以前是张教授的博士学生,同时也是撰写此技术相关资料的首席作者。他认为,此项技术不久将应用到医疗成像仪器的研发上,使光学显微镜在医疗方面的应用达到前所未有的精度。 

    利用目前的光学显微镜,科学家们能够观察到细胞中较大的结构,例如分子的核子和线粒体。研究者称,如果利用了这种超级镜片,光学显微镜有一天将能够观察到单个蛋白在组成细胞架构的分子微管中运动的过程。 

    扫描电子显微镜和原子力显微镜目前都应用在观察纳米级物体的细节方面。然而,这些显微镜的工作原理是逐点地对物体进行扫描,这样就把它们的应用局限在非活体标本上,而且每次成像都要花费好几分钟。 

    “光学显微镜可以在不到一秒钟的时间里仅仅通过一次快照就能够快速捕捉到整个架构的成像,”方说,他现在是美国伊利诺斯大学的机械工程学助理教授。“而且这种设备可以对活体标本进行成像,帮助生物学家们进一步了解细胞的结构和实时功能,最终推动人类对治疗各种人类疾病所进行的药物研究。”  

    此项研究无疑为物理学家和工程师们针对研制通过负折射来突破绕射限制的超级镜片所进行的激烈争论带来了一个最新话题。  

    传统的镜片,不论是人造的还是天然的,都是通过捕捉物体散发的光线然后进行反射最后形成最终成像。反射的角度由折射指数决定并且长期以来一直是正指数。  

    然而,物体同样散发出“消逝的”光波,其中携带大量物体细节但是很难捕捉。这样的光波的折射率会衰减,根本不会达到光谱线平面,也就是一种被称为绕射限制的光学极限。如果可以突破这个限制并且捕捉到那些折射率衰减了的光波,就能够最终得到一个物体的完美成像,克服这一难题可以被誉为是得到了光学的“圣杯”。 

    2000年,英国物理学家约翰·潘德瑞提出了一种理论,认为通过提高负折射率能够将物体光渐逝波重新聚焦然后得到完美的成像。俄罗斯物理学家维克多·瓦斯拉果第一次提出负折射材料约30年后,潘瑞德所提出了自己“完美的镜片”理论。 

    这些理论都是基于光线的电磁波接触到负折射镜头后,激发物体表面光波的整体运动,例如电子震动(也被称为表面电浆波)。这会提高光渐逝波的折射率而且这种方式完全不同于光线到达传统镜片时的正常表现。 

    随后圣地亚哥大学以及其他地区的研究者们针对负折射率进行了一系列的试验,但是他们的试验仅仅局限于微波光线。  

    2003年,张翔的研究小组第一次确定光渐逝波在特定环境下经过银膜超级镜片时会变得更强。 
  
    直到这一小组最近的一次试验才展示了使用超级镜片进行光学成像。张和他的研究小组在实验中使用了波长为365毫微米的紫外线,所以实际成像到的细节多于微波段光波中所含的细节。 

    成像中的一列纳米线宽为40纳米,而单词“NANO”大小为60纳米。科学家们先将这些东西嵌入一层铬中,然后将这层铬放在超级镜片下面。这个镜片由一层大约30纳米厚的银膜构成。研究者们将图像记录在光刻胶上,而覆盖在超级镜片另一面的聚合物当暴露在紫外线下时,会变得无法吸收光线。 

   “我们的研究提供了一种新的光学成像方法,不仅打破了光学绕射限制,而且为将来一系列技术的改革提供了无与伦比的潜力,”张说。“超级镜片的关键是它能够增强并且恢复带有物体信息的光渐逝波。这也使成像远远低于绕射限制。” 

    值得一提的是,目前还没有任何镜片可以完全重新聚合所有物体散射出的光渐逝波,所以现在科学家们仍然没有达到获得百分之百完美成像的目标。然而,很多科学家认为真正完全的成像是不可能的,因为当光波经过任何物体时,有一部分能量被吸收。 

   “我们的实验并不是创造出了完美的成像结果,”“但是有一点很明显,我们的成像结果要比没有利用银膜质超级镜片技术得出的图片清晰的多。” 

    研究者们称,如果继续发展这种技术,将来我们可以对遥远的物体成像并且得到更加清晰的成像结果,其中包括可以观测到其他星球更多的细节以及通过监测卫星更清晰地观察地面人类的活动等等。  

    研究资料的作者还有机械工程学的大学毕业生西索戈·李,以及孙成,张翔的研究小组成员。这项研究得到了海军研究办公室(ONR)、国防远景研究计划署以及美国国家科学基金会中纳米科学与工程研究中心的大力支持。 

      


 
 
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