当 Ondrej Krivanek 首次考虑制造一种能够提高电子显微镜分辨率的设备时，他向美国能源部询问了资金。“得到的回复并不积极，”他笑着说。他从小道消息得知，掌握资金大权的管理者宣称，这个项目“除非他死了，否则不会获得资助”。
“人们只是觉得它太复杂了，而且没有人能让它工作起来，”Krivanek 说。但他还是尝试了。毕竟，他说，“如果每个人都期望你失败，你只能超出预期。”
Krivanek、Niklas Dellby 和其他同事随后为扫描透射电子显微镜设计的校正器确实超出了预期。它们聚焦显微镜的电子束，像聚光灯一样在样品上来回扫描，从而可以区分单个原子并在样品内进行化学分析。为了他的开创性工作，Krivanek 与德国科学家 Harald Rose、Maximilian Haider 和 Knut Urban 分享了卡弗里纳米科学奖，他们独立开发了用于传统透射电子显微镜的校正器，在传统透射电子显微镜中，宽而静止的电子束一次性照射整个样品。
电子显微镜发明于 1931 年，长期以来有望实现前所未有的清晰度，并且理论上可以分辨原子百分之一大小的物体。但实际上，它们很少能达到这个水平，因为它们用来聚焦电子的电磁透镜以扭曲和模糊最终图像的方式使电子发生偏转。
Krivanek 团队和德国科学家设计的像差校正器都部署了一系列电磁场，这些电磁场在多个平面和不同方向上施加，以重定向和聚焦偏离轨道电子。“现代校正器包含 100 多个光学元件，并且拥有自动量化和修复 25 种不同类型像差的软件，”Krivanek 说，他与人共同创立了一家名为 Nion 的公司来开发和商业化这项技术。
这种精细的调整水平使显微镜学家能够将目光投向一些重要的追求，例如生产更小、更节能的计算机，在不烧毁生物样品的情况下分析生物样品，并能够检测氢气，这种最轻的元素和一种潜在的清洁燃烧燃料。
电子显微镜能帮助制造节能型计算机吗？
我们正在制造各种有趣的原子尺度设备，这些设备将最大限度地减少逻辑运算所需的能量。以低得多的功耗进行计算是人们正在探索的前沿领域：每微瓦可以获得多少千兆次浮点运算？我们所等待的是一个由掺入氮化硼中的外来原子制成的 10 原子晶体管。我确信总有一天会实现，因为您可以使用这些二维材料中的电子束来移动原子。那么唯一的问题将是如何将其连接到设备中的其他晶体管。
显微镜技术是否可以促成氢或太阳能电池等环保能源？
氢燃料电池将非常棒。它是最丰富的元素之一，当您将氢与空气中的氧气结合时，不会产生污染，因为您产生的是水。如果可以将氢气存储在存储罐中而无需将其保持在巨大的压力下，则可以在您的汽车中放入足够的氢气。但是，要将氢气放入存储电池并循环进出，您需要能够看到氢气在做什么，它位于何处，它与什么结合。这就是电子显微镜及其光谱仪的领域，它们告诉您哪些元素在何处。对于太阳能电池，问题往往是效率和成本。对于硅太阳能电池，您可以获得大约 20% 的效率，并且您必须生长、切割和抛光硅晶体，因此它可能会很昂贵。您是否可以制造出更便宜、效率更高的东西？如果您可以简单地将一种材料作为薄膜喷在塑料片上并获得良好的效率呢？当您尝试这样做时，您会引入称为晶界的缺陷，因为您没有单晶。英国 SuperSEM 实验室的一些出色工作展示了薄膜太阳能电池中的晶界如何影响其效率，以及您可以做些什么。显微镜帮助我们了解如何安排材料的内部结构，以便从电的角度为我们提供我们想要的特性。
由 Falconieri Visuals 绘制的插图
增强的分辨率如何促进生物材料的研究？
当您观察单个细胞时，您想了解不同位置存在哪些类型的化学物质，以及它们如何在细胞中移动。它们是如何合成的，又是如何代谢成其他物质的？我希望经过像差校正的振动光谱能够回答这些类型的问题。生物显微镜通常是在从样品中提取有用信息和使用用于成像的相同光束破坏样品之间进行的一场竞赛。在振动光谱中，您不会将电子束对准您正在检查的位置，而是将其对准附近的位置。这样可以避免辐射损伤，并可以更仔细地检查样品。我们现在可以在具有显著能量和空间分辨率的扫描透射电子显微镜中做到这一点。我正在柏林洪堡大学进行休假，专注于此，但我不得不提前完成它，因为该大学因 COVID-19 而关闭。希望当世界恢复正常时，我将回到德国，并且我能够说这个项目进展顺利——或者，这是一个疯狂的想法，根本行不通。如果您知道它会如何发展，那么它就是工程。如果您一无所知，则称为研究。这就是我们现在正在做的事情。