本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
这些影片不像《阿凡达》那样有那么多的个人情感戏,但这里的“演员”是纳米级的,由在纳米尺度上运作的物理定律所指导。它们是使用一种新型电子显微镜拍摄的。
长期以来,电子显微镜一直是检查各种纳米级物体和材料的主要工具,但通常是通过生成刚性、静止目标的静态图像来实现的。在过去的十年中,研究人员开发了一种称为四维电子显微镜的超快技术,该技术可以制作飞秒级时间间隔内发生的动作的影片。(一飞秒是 10^-15 秒,即十亿分之一秒的一百万分之一。)
例如,这是一部悬臂梁振动的影片,从各种角度观看。突出的镍钛“跳板”仅 50 纳米宽,并由激光脉冲启动。各个影片帧以 10 纳秒的间隔出现,因此运动速度降低了大约 300 万倍——在纳米尺度上,事情发生得很快。
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下一部影片显示了一个石墨纳米晶体像鼓面一样振动,同样是由激光脉冲启动的。深色的条纹带是由晶体表面轻微的永久性弯曲引起的;可以把它们想象成一种光学效应,类似于水面上油膜的彩虹图案。这些条纹会随着晶体表面在振荡过程中稍微起伏而移动。
关于这些振荡的值得注意的特征是它们开始时相对混乱,然后逐渐稳定下来,变为整个表面更规则、协调的振荡。同样,影片中的运动速度大大降低了,这次降低了大约一百万倍(每帧之间 50 纳秒,以每秒 15 帧的速度播放)。
您可以在《大众科学》八月号的文章中阅读更多关于这些影片背后精巧的技术以及它们可以回答的科学问题,文章标题为“以 4D 方式拍摄隐形”,作者是艾哈迈德·H·泽维尔,他的团队开发了这项技术。泽维尔因研究飞秒时间尺度上发生的化学过程而于 1999 年获得诺贝尔化学奖——但不是电影。
4-D 电子显微镜不仅限于悬臂梁和晶体等无机实体。泽维尔的团队还用它来研究蛋白质囊泡和大肠杆菌。他们使用一种称为 PINEM(光子诱导近场电子显微镜)的 4-D 技术变体,对这些生物样本进行了成像,实际上是被经过的激光脉冲“照亮”了飞秒的时间。
泽维尔的团队还有一个其他纳米电影的在线画廊。加州理工学院画廊的最新添加显示了该技术的另一种变体,称为电子断层扫描,约翰·马特森在六月份报道了这一点。