电子显微镜下的图像是什么样的?

通过电子显微镜可观察肉眼看不到的纳米世界,现已广泛应用于医学、生物、材料开发等领域。本文利用日立电子显微镜真实再现金属、矿物、生物等的微观形态美,体会不同世界的生命体征和风韵。

“铺满花纹的地毯”:非晶InSiO薄膜加热的同时,对其进行SEM的观察。350℃时通道效应引起结构发生变化,随着时间的推移,结晶区域不断扩大至全部结晶。在什么都没有的地方突然产生的结晶对比度。

“宇宙飞船在未知行星着陆”:该样品表面和内部均有微孔空硅颗粒。将二氧化硅和氯化钠混合,且仅溶解氯化钠,制成立方体形状。微孔可捕获目标尺寸的物质,希望将来用于搬运物质的载体。

“超能力外星人准备攻击的地球”:本样品是在Fe颗粒之上分别覆盖两层TiO2及SiO2而形成的高性能分层颗粒。在200kV的加速电压下,可观察到SEM图像的“月球”和STEM-FIB加工制成的薄膜断面像的“地球”。

“美丽的花束形貌”:合成沸石是广受关注的功能性材料之一,图为合成沸石在高分辨SEM下观察到的图像。该合成沸石主要用于催化工业原料合成。样品经过几次重叠而形成的花瓣形状,增加了样品表面积,从而使催化效果增强。

“宇宙中漂浮的小行星”:对玻璃内的添加剂氧化铋颗粒进行树脂包埋处理,并以5nm步进连续进行FIB加工,以观察其SEM图像。对200张SEM图像进行三维重构,观察颗粒的立体分散状态。

“烟花,烂漫绽放”:这些“烟花”其实是在还原氧化膜过程中产生的膜间水蒸气,大小从3微米到数十微米不等。硅基板因气体反弹到膜中心,隐约可见。

HITACHI透射电镜HT7800-日立原子力显微镜_电子显微镜_差示扫描量热仪_热重分析仪_分光光度计- 苏州思普莱信息科技有限公司

苏州思普莱代理的日立透射电镜HT7800从生物医学到材料领域,以创新的操作性,满足广泛领域的需求。我们身处在美丽的自然环境中,生活和谐美满,而只有电子显微镜才能呈现的微观世界,更是魅力四射。

“沐浴我国重武器6”超级显微镜:中国散裂中子源

来源:光明网-《光明日报》

【晒晒咱的国之重器6】

光明日报记者 杨舒

如果将组成物质的原子比作一张大网,我们对这张网一下子抛出许多“弹珠”,有的“弹珠”会穿过大网,有的则会和网中的点、线发生碰撞,飞向不同方向。

聪明的科学家们记录下所有“弹珠”的轨迹,通过计算,就能倒推出网的结构,看清这些原子组成的分子。这个能发射中子“弹珠”的“超级显微镜”,就叫散裂中子源。

2018年8月,由国家发改委立项支持、中国科学院与广东省共同建设的中国散裂中子源正式“开门迎客”。继英、美、日之后,中国成为世界上第四个拥有这一大科学“神器”的国家。咱们的科学家再也无须舟车劳顿、争分夺秒,跑到国外排队申请做实验了。

中学物理课本上讲过,所有物质都由分子和原子组成,而原子内部有原子核,核中又包含了中子。中子这个小东西不带电,穿透力也强,如果将一束足够多的中子射向一种材料,就能在不伤害其实体的前提下,“探测”到材料的微观结构和内部运动规律,可谓最强科研透视眼。

正因如此,大量制造中子的“工厂”——散裂中子源应运而生。别看中子小到难以想象,散裂中子源却是个由各种高、精、尖设备组成的庞然大物,考验的是综合国力。

要知道,它深藏在东莞大朗镇13米到18米的地下,历时6年半建成的一期工程,占地足有40个足球场大,光安装加速器的隧道就有600多米长。

这么大投入,值得吗?

当然值得!中国散裂中子源工程总指挥陈和生院士介绍,作为科学家梦寐以求的研究平台,散裂中子源担当的是粤港澳大湾区综合性国家科学中心的核心装置重托,用途广着呢。材料学、新能源、医疗制药、关键电子器件的突破全都用得着它——

给航空发动机和高铁轮轨的部件做“体检”,检测它们的安全性;模拟深海环境,摸清可燃冰在压力释放过程中的内部变化,帮忙找到合适的开采条件;观察离子电池充放电几百次后的变化,以研发出容量更大、充电更快、更安全的电池……

开放3年来,这个“大家伙”已服务中外科学家团队完成课题超过600项。2020年,依托这里,香港大学研发的超级钢惊艳世界,我国首台自主研发的加速器硼中子俘获治疗实验装置也“孵化”成功,将为癌症治疗带来技术性革新。

就在上个月,又一个捕捉中子轨迹的利器——多物理谱仪在这里向全球开放。

中国散裂中子源将给世界更多惊喜。

《光明日报》( 2021年11月25日 01版)

Lewenhoek的单显微镜将人类视觉带入了微观世界的一个新领域

来源:科技日报

列文虎克制造的单式显微镜与我们常见的复式显微镜大不相同,其长不足10厘米,宽仅有两三厘米,厚约1厘米,就像一个可在手中摩挲的小小铜板。

图片素材由视觉中国提供,列文虎克单式显微镜复制品由刘年凯拍摄

日前,清华大学科学博物馆在珍品柜展出了列文虎克(Antoni van Leeuwenhoek,1632—1723年)单式显微镜的复制品,此展品由荷兰莱顿的布尔哈夫博物馆复原团队手工打造,其长不足10厘米,宽仅有两三厘米,厚约1厘米。这件精致小巧的科学仪器激起了很多人的好奇心,观众对它的第一反应往往是:这怎么可能是显微镜?的确,与大多数观众在求学期间自然课或生物课上使用的复式显微镜相比,这个可在手中摩挲的小小铜板不免显得有些“特立独行”。

那么列文虎克的这种单式显微镜该如何使用,能把标本放大多少倍?其背后又有什么有趣的历史?

列文虎克与罗伯特·胡克

要谈列文虎克,就不能不提到与他同时代的大名鼎鼎的罗伯特·胡克(Robert Hooke,1635—1703年)。1662年,年轻的胡克担任了成立不久的英国皇家学会的实验管理员,他用改良的显微镜来观察各种东西,发现软木在显微镜下呈现出一个一个的腔室,类似于修道院的一个个居室,所以将其称为“修道院单人小室”(cell)。这就是为我们熟知的“细胞”。1858年,传教士韦廉臣(Alexander Williamson,1829—1890年)、艾约瑟(Joseph Edkins,1823—1905年)和数学家李善兰(1811—1882年)编译了《植物学》,其中的“聚胞体乃聚无数细胞为一体,诸细胞相黏合”被后人认为是英文的cell首次被译为中文的细胞。虽然在这之后的几十年,细胞一词并未成为通行的译法,cell还被译作珠、膛、小凹等,直到甲午战争之后,随着日译科技术语的引入,细胞才成为主流的用法,沿袭至今。

胡克使用的是复式显微镜,可将标本放大30多倍。他最初的发现于1665年——伦敦大瘟疫发生那年——被结集成《显微图谱》(Micrographia)一书,这成为皇家学会第一本产生广泛影响的著作。而比胡克年长3岁的列文虎克,年轻时是荷兰代尔夫特的一名布商。他没有接受过太多的教育,只会讲荷兰语,不懂英语和拉丁语。列文虎克1668年访问伦敦,很有可能是在这段时间,他接触到了胡克的《显微图谱》。或许是书中描绘的巨大的跳蚤插图触动了这位布商,他开始对显微镜感兴趣,待返回荷兰,他就研制起透镜,开启了持续半个多世纪的单式显微镜制造和观察生涯。

列文虎克制造的显微镜,如清华大学科学博物馆珍品柜展示的这件仪器一样,结构极其简单。一个极小的玻璃珠作为单透镜安装在黄铜板上的小孔中,标本放置在镜头前突出的尖点上,转动两个螺丝,就可调整位置和焦距。眼睛靠近透镜,就能观察到放大的标本。列文虎克的显微镜,最多可将标本放大至275倍,这也使得胡克一生都对列文虎克如何制作出这种透镜感到好奇和疑惑。

进入充满生机活力的新世界

通过朋友介绍,列文虎克从1673年开始给英国皇家学会写信,他的发现也逐渐公诸于世。直到1823年去世,列文虎克一直与英国皇家学会及其成员保持着密切通信,现在有约200多封信仍然保存在英国皇家学会。透过这些书信,我们可以看到列文虎克对他进入的新世界充满生机和活力的记录。

其中,1676年10月9日的一封信,留下了当年春天列文虎克连续观察了4天雨水后写下的一段话:“我判断,即使把一百个这些小动物撑开摆在一起,也不会超过一颗粗沙子的长度;如果这是真的,那么一百万个这些活物也不够一颗粗沙粒的体积。”这段文字中的“小动物”,就是我们现在熟知的细菌,这也是人类首次发现细菌。

在1683年的另一封信里,他写道:“在我的门牙和臼齿之间有一些东西嵌在里面,或者生长在那里……极为诧异的是,我总会看到在这些物质中有许多非常小的活着的微生物,动得非常可爱。看来世界充满了生命,数量比以前想象的要多得多。水滴里存在活物,人的牙缝里寄存的小颗粒也存在活物!”

他还对两位从未清洁过牙齿的老人做了重复观察,在取出的样本上发现了“一群令人难以置信的活体动物,它们游泳的速度比我迄今为止见过的任何动物都要灵活。”

随着一个又一个石破天惊的新发现——包括精子、血细胞的首次观察——从代尔夫特传到伦敦,列文虎克在显微镜制作和观察上的才华开始被欧洲认可,他在1680年被选为英国皇家学会的正式会员,他位于代尔夫特的家也成为名流贵胄,包括俄罗斯彼得大帝、英格兰的詹姆斯二世和普鲁士的腓特烈二世等的“打卡地”。

列文虎克像一位我们这个世界率先进入到新的未知世界的探险家,从人类熟知的日常尺度进入了无法想象的、梦幻般的微小尺度。从“异界”归来后,他充满喜悦地分享自己的所见,改变了人类对自然的认知。

1716年,84岁的列文虎克还在坚持用显微镜观察这个世界,在一封信中他这样写道:“我已经做了很长时间的工作,并不是为了获得我现在所享受的赞美,而是主要来自对知识的渴望,我注意到,我的这种渴望比他人更甚。因此,每当我发现任何非凡的事情时,我都认为我有责任将我的发现写在纸上,以便所有具有创造力的人都得以知道。”

居世界领先地位长达150年

直到19世纪30年代消色差显微镜镜头出现,列文虎克的镜头才被超越,也就是说,他的显微镜性能在世界居于领先地位长达150年。

列文虎克在世时,他的同代人,包括胡克,就对他如何制造出如此高倍率的透镜产生了浓厚兴趣,但列文虎克对他制作透镜的方法严格保密,甚至在客人参观时也只让他们看中等质量的显微镜。1745年,随着列文虎克女儿玛丽亚的去世,他的大部分显微镜在1747年举办的一场拍卖会上被抢购一空。

这些珍贵的显微镜可谓命运多舛,科学史家研究认为,列文虎克制作的显微镜的总数达559件——这意味着在他50年的显微镜制作和标本观察生涯中,平均每个月制作一个,由此也可一窥列文虎克的勤奋。根据拍卖记录,买家似乎以代尔夫特当地居民为主,有公证人、医生、外科医生、地方法官、铜匠,但也有至少三分之一的拍品是匿名人士通过给中间人佣金的方式购买的。不过,可预见的是,大多数新主人利用显微镜观察标本的能力根本无法与列文虎克相提并论。在失望之余,这些小巧的显微镜被搁置一旁,最终导致了大量丢失——目前全世界只有约10件原件幸存。

由于列文虎克生前对透镜制作方法的严格保密,目前留存的显微镜原件又极为珍贵,不便拆开显微镜直接观察内部构造,因此在破解列文虎克如何制作出高倍率透镜之谜上,科学史家一直束手无策。2021年,荷兰莱顿的研究人员利用中子断层扫描技术对列文虎克的两个显微镜做了无损检测,揭示了透镜的完整结构,其中一个中倍率的透镜呈扁豆状,另一个高倍率的透镜则为带杆的球形玻璃珠,这表明,列文虎克使用的其实是胡克1678年公布的透镜制作方法。他对外保密自己的制作方法,可能也有这方面的考虑。

列文虎克利用他制作的显微镜“打开了新世界的大门”,如今各个领域的科学家还继续在这个新世界开疆拓土,不断突破所能观测的极限。有鉴于此,清华大学科学博物馆计划与哈佛大学历史科学仪器收藏馆(CHSI)合作,举办以历史上的显微镜为主题的线上展览,从列文虎克的单式显微镜到现代的最新式显微镜,相约一场尺度不断延伸的新世界之旅。

(作者系清华大学科学史系博士后)

南都记者用显微镜观察了月球土壤:它像玻璃茬一样薄

南都讯 去年底,嫦娥五号返回器成功着陆内蒙古四子王旗,还捎回了月球“土特产”(月球样品),让无数国人振奋。更令人惊喜的是,月球上的土壤此番首次亮相珠海航展,迅速引起航展现场观众围观,成为本次航展馆内最热的“打卡地”。那么,月球土壤究竟长啥样?和地球上的土壤又有什么区别?南都记者来到国家航天局展台探秘。

在4号展馆,国家航天局展台人来人往,观众们围着三个透明的物件,一边拍照一边讨论。“哇,这就是月球上的土壤啊,好像也不是很特别嘛。”记者看到,在透明的圆球物件里面,有一些看上去像生锈的灰尘状的东西。

“那个透明的圆球其实是一个光学放大镜,大概放大3倍左右,而月球样品就在中间的圆环里,从垂直的角度就可以看得到月球土壤。”在展台旁,国家航天局探月与航天工程中心主管柳骊告诉南都记者,月球土壤在显微镜下才能看得清晰。

记者透过显微镜发现,和地球上的土壤大多呈现天黄、赤褐色不同,月球的土壤呈现一种灰色,表面看上去有棱角。“月球土壤会比地球的土壤颗粒更为尖细,有一些颗粒带有很尖的成分,那些东西它更像玻璃茬子,这是因为月球表面没有大气层保护,会有很多陨石去撞击它,撞击之后就会产生岩石的破碎物,还有太阳风、紫外线以及宇宙射线的辐射,导致我们现在看到土壤上面会有棱角。”柳骊进一步介绍,因为月球不像地球一样会有雨水,因此不会给土壤造成包浆。“土壤非常干燥,整体就是灰黑色。”

“值得一提的是,灰黑色的月球土壤矿物成分含量包含了镍、铬、钠、钛等,甚至一些元素,未来可以用于国际月球科研站载荷能源。”柳骊称。

从立项到嫦娥5号把月球土壤带到地球,整整花了17年。柳骊称,为了体现中国探月工程行稳,这套含有圆环状的展品取为“海上生明月”。“因为整个套件像海面上升起的一轮圆月,含有中国的诗意,也结合了天元地方的一个设计理念。”

月壤首度亮相珠海航展,吸引观众在显微镜前排队观看。

据柳骊介绍,这套展品的底边边长是22.89厘米,象征着嫦娥5号任务,从发射到最后取回样品历历经了22.89天。上边长是17.31厘米,代表着中国这次嫦娥5号任务一共取回了1731克的月球样品。高度是17厘米,象征着中国太平工程从2004年立项,到嫦娥5号取回样品,一共是历经了17年。而圆球中心的月球样品一共是75毫克,所以整体的样品就叫“海上生明月”。

南方都市报航展报道小组

采写:南都记者 袁平峰 实习生 郭可儿

摄影:吴进

在三星堆挖出24K金珠!超景深3D视频显微镜让您更接近文物的微观世界

三星堆,你到底还有多少惊喜等着我们?今天我们继续探坑!

5号坑从上一季开始就没有再进行发掘,考古学家们将对5号坑进行整体打包,做实验室考古,这一次三星堆直播现场为大家带来了一个新武器叫作超景深三维视频显微镜,通过它可以让我们更加清晰直观地看到5号坑里面文物的各种纹饰、玉石的纹理。上一次没能为大家展示的各种细节,这一次补上!一起走进文物的微观世界↓↓↓

5号坑情况如何?坑长来介绍

黎海超,来自四川大学考古文博学院,是三星堆5、6、7三座祭祀坑的坑长,他来为我们介绍考古新发现。

三星堆遗址祭祀区考古工作队 黎海超: 目前,5号坑的器物层已经整体暴露出来了,由于它的左右关系非常复杂,我们之后可能要用一些高科技的设备来揭示这些关系。

这件器物可以说是除金面具以外,5号坑目前发现最重要的金器了。现在只露出一半左右,露出部分长7厘米,形状有一点像斧头,带有弧刃,表面有3道凹槽,中间一道凹槽还残留一块可能是镶嵌上去的绿色物质。它最大的特点就是比较厚重,以往我们发现的绝大部分金器都锻打得很薄,厚度都在1毫米以下,而这件器物目前看到最厚的地方大概有3毫米,分量很重。类似的形制在三星堆也是独一无二的。

5号坑发现24k微小金珠

在5号坑还看到了一些小小的金珠,可以看出这个金珠非常微小,在显微镜下都不是很大,这些金珠是个什么?

三星堆遗址祭祀区考古工作队 黎海超: 这些小金珠我们已经关注很久了,它的尺寸实际上非常地小,小的只有零点几毫米,大的也无非一两毫米左右。

它们如何形成有两种可能性,一是其他金器在烧熔过程中,滴落下的金珠;二是三星堆先民采用专门工艺来制作的。目前我个人更倾向后一种可能。

为什么这么说?

首先,五号坑除了小金珠,还有其他各种各样大大小小的珠子,这些珠子都是用于装饰的,小金珠也很有可能是有意识制作的。

另外,我们在五号坑采集了几件小金珠的样品,在川大的考古实验室做了一系列的分析检测,结果发现

小金珠的纯金含金量竟然超过了99% 。三星堆的金器,包括五号坑其他的金器,主要是金银合金的,如果是其他金器上掉落下来,那小金珠必然也是类似的工艺。

所以我们现在有这样一个推测,小金珠是专门工艺制成的。

如果能够证实的话,那这应该是中国目前发现最早的金珠成型工艺 ,可以说是非常重要的。这些还仅是推测,需要更多证据的支持。

来源:央视新闻客户端

通过观察恒星等分子反应,新的化学显微镜具有超高分辨率

◎ 洪恒飞 柯溢能 科技日报记者 江耘

教科书上的化学反应均以单分子形式进行概念描述,但实验中得到却是大量分子的平均结果。一瓶380毫升的水,约含有10的25次方个水分子,投入金属钠会产生激烈的反应。不妨试想,宏观可见的化学现象,具体到单个分子是怎样的表现?

单分子实验是从本质出发解决许多基础科学问题的重要途径之一。近年来,虽已有单分子荧光显微镜技术,冷冻单分子电镜技术等诺贝尔奖级别的成果问世,观察、操纵和测量最为微观的单分子化学反应仍是科学家面对的长期挑战。

8月11日,浙江大学化学系冯建东研究员团队在国际顶级期刊《自然》发表封面文章。浙大团队以电致化学发光反应为研究对象,发明了一种可以直接对溶液中单分子化学反应进行成像的显微镜技术,并实现了超高时空分辨成像。该技术可实现更清晰的微观结构和细胞图像,在化学成像和生物成像领域具有重要的应用价值。

捕获分子发光信号,1秒内连拍上千张图片

电致化学发光,是指具有发光活性的物质在电极表面通过化学反应实现发光的形式,可令分子产生光信号,在体外免疫诊断、成像分析等领域已有应用。

“在溶液体系还难以开展单分子化学反应的直接光学捕捉。”冯建东介绍,单分子化学反应伴随的光、电、磁信号变化非常微弱,而且化学反应过程和位置具有随机性,很难控制和追踪。

如何实现微弱乃至单分子水平电致化学发光信号的测量和成像?如何在电致化学发光成像领域实现突破光学衍射极限的超高时空分辨率成像,即超分辨电致化学发光成像?3年来,冯建东团队致力于这两大难题的研究,通过联用自制的具有皮安水平电流检出能力的电化学测量系统以及宽场超分辨光学显微镜,搭建了一套高效的电致化学发光控制、测量和成像系统。

“团队通过搭建灵敏的探测系统,将电压施加、电流测量、光学成像同步起来,通过时空孤立捕获到了单分子反应后产生的发光信号。” 论文第一作者、浙大化学系博士生董金润介绍。从空间上,研究团队通过不断稀释,控制溶液中的分子浓度实现单分子空间隔离。时间上,通过快速照片采集,最快在1秒内拍摄1300张,消除邻近分子间的相互干扰。

利用这套光电控制和测量平台,团队首次实现单分子电致化学发光信号的空间成像,其成像特点在于无需借助外界光源,可在暗室操作。

多重曝光合成叠加 实现纳米级超高分辨率

现如今,传统光学显微镜在数百纳米以上的尺度工作,而高分辨电镜和扫描探针显微镜则可以揭示原子尺度。“但能够用于原位、动态和溶液体系观测几个纳米到上百纳米这一尺度范围的技术非常有限。”冯建东提到,主要在于受到光的衍射极限限制,光学成像分辨力不足,即相邻很近的两个点难以分辨。

为此,冯建东团队在获取单分子信号图像基础上,着手研究电致化学发光的超分辨成像。受到超分辨荧光显微镜技术的启发,研究团队利用通过空间分子反应定位的光学重构方法进行成像。

“好比人们夜晚抬头看星星,可以通过星星的‘闪烁’将离得很近的两颗星星区分开一样。”冯建东介绍,技术原理即通过空间上的发光位置定位,再把每一帧孤立分子反应位置信息叠加起来,就能构建出化学反应位点的“星座”。

为验证这一成像方法的可行性以及定位算法的准确性,研究团队通过精密加工的方法,在电极表面制造了一个条纹图案作为已知成像模板,并进行对比成像,条纹间隔为几百个纳米。记者看到,该微纳结构的单分子电致化学发光成像与电镜成像结果高度吻合。而且,单分子电致化学发光成像将传统上数百纳米的电致化学发光显微成像空间分辨率提升到了前所未有的24纳米。

研究团队进而将该成像技术应用于生物细胞显微成像,以细胞的基质黏附为对象,对其进行单分子电致化学发光成像,观察其随时间的动态变化,成像结果与荧光超分辨成像可关联对比,其分辨率也可与荧光超分辨成像相媲美。

“相比于荧光成像技术,电致化学发光成像不需要对细胞结构做标记,意味着不易影响细胞状态,对细胞可能是潜在友好的。”冯建东表示,未来,这项显微镜技术将作为一项研究工具,在单分子水平揭示更多化学奥秘,也有助于揭示更为清晰的生物结构和看清生命基本单位细胞是如何工作的。

编辑:黄磊

审核:朱丽

中国已经开发了一种用于病理组织切片样本的高通量扫描透射电子显微镜

澎湃财讯

据中科院官网9月2日发布的科研进展,近期,广州生物岛实验室、中国科学院生物物理研究所等合作,从医院病理科电镜病理检测存在的仪器维护成本高、操作复杂、通量低、人力成本高等痛点出发,成功研制出针对病理组织切片样品的高通量扫描透射电子显微镜SmartView,发明出载网托盘和新型的装载方式,一次可以装载500个病理切片载网,实现8K*8K的高速扫描透射成像能力。

该仪器成像分辨率优于1.1nm,可进行病理组织切片样品高速和高质量成像,同时降低了电镜病理检测工作的技术门槛,有助于推动电镜病理检测技术在人类疾病诊断中的广泛应用。(澎湃新闻记者 贺梨萍)

责任编辑:贺梨萍

姚俊恩院士:他是王大恒的学生,独立设计开发了中国第一台电子显微镜

1959年10月1日,北京展览馆中央大厅排起了一条长队,人们怀着好奇心耐心地等待着,只是为了看一看电子显微镜下蚊子翅膀上的“汗毛”是什么样子。这一幕至今仍旧让姚骏恩难以忘怀。

当天人们用来观看“蚊子翅膀上的汗毛”的显微镜是我国第一台自行设计的XD-100型电子显微镜,是由姚骏恩主持设计、研制的。这项成果被列为中国仪器仪表行业从仿制到自行设计制造的一个标志,此后我国在该领域不断取得更高水平的成就,而姚骏恩也迎来了硕果累累的科研人生。

转向应用物理

1932年,“一·二八”淞沪大战前夕,姚骏恩一家从上海闸北宝山路逃难至附近的“法租界”居住,是年4月9日,姚骏恩在那里出生。

姚骏恩的童年和少年时期是在战火纷飞的年代中度过的,他读小学时“八一三”淞沪抗战开始,姚骏恩一家被迫再次迁到“法租界”居住。1941年,太平洋战争爆发后的一天,正在家中的姚骏恩突然听见了一声巨响,然后眼前一片火光,哭声震天。他和哥哥姚骏发急忙跑出去看,才知道是日本两架军用飞机演习相撞,飞机坠落在离他家仅二十多米处,造成了几十间楼房倒塌,他家弄堂对面房子的后半部已成一片瓦砾。那时,日本飞机经常在大中城市狂轰滥炸,而我们毫无还手之力。在“航空救国”的思想下,他在1949年报考了上海交通大学航空工程系,以及清华大学、大连大学等。

最后,姚骏恩选择了大连大学工学院电机系。他曾表示,选择大连大学的主要原因是,共产党使他看到了光明和希望,而大连大学是共产党在解放区自己创办的第一所正规大学,是为即将诞生的新中国培养建设人才的地方。

姚骏恩和上海中学的几十名同学一起乘坐学校包租的火车专列去大连,途中还遭到了国民党飞机的轰炸。那时,上海刚解放 ,去东北的火车尚未开通 ,路过南京时 ,还遭到国民党飞机的轰炸 。在东北广阔的土地上,他们这辆“专列”,边开车,边修路,终于在新中国成立前夕到达了大连。

那一年年底,学校为了了解这批学生的学习水平,进行了摸底考试。考试那天的监考老师是我国著名光学家王大珩,后来姚骏恩是这样回忆他第一次见到王大珩的情景的:“有位监考老师在我旁边站了一会儿,交卷时老师签名,我一看像是“美術”两字,至今还记忆犹新。”

当时,大连大学工学院没有应用物理系,于是1950年秋,王大珩动员学生转学应用物理。他说:“学应用物理的人他不是万能的,不是什么事情都能做,但是他能知道这件事情可以找谁来做,谁来解决。”就这样,包括姚骏恩在内的20名同学成为新中国第一个应用物理系的首批学生,姚骏恩担任班长,后又被选为校学生会数理分会主席。

1952年,为了支持国家第一个五年经济建设计划的需要,全国大学物理系的学生全体提前一年毕业,姚骏恩、王之江和王乃弘等五位学生进入中国科学院仪器馆(现为长春光学精密机械与物理研究所,简称光机所)参加工作。从设计大礼堂的坐椅、采购实验仪器设备等到研制精密电阻箱,姚骏恩在工作中不断积累经验,不断成长,逐步培养了他独立进行科研工作的能力。

创造多个“第一”

1956年,我国制定了《十二年科学技术远景规划》,由王大珩等组成的仪器规划小组,提出要研制电子显微镜。苏联顾问却认为:项目难度太大,十二年内中国做不出来,不要列入规划,中国如要用,可向苏联买。但是,眼光长远的王大珩并没有放弃电子显微镜的研制设想,他于1958年大胆提出由长春光机所研制电子显微镜,以武汉病毒研究所才到货的日本中型电镜作为参考,通过夜以继日的艰苦奋斗和对工作的高度协调,仅仅用了72天就制造出我国第一台电镜,加速电压为50kV,分辨本领达10nm。后来,这台电子显微镜作为光机所研制成功的“八大件”之一,于当年国庆节前夕在北京中关村展出,还受到了毛主席的赞赏。

是年11月,姚骏恩一人去武汉归还作为参考的日本电镜,然而因为这台日本电镜是被拆成了零部件再重新装起来的,因此出现了不少问题,就连机械泵也出了问题。正所谓“初生牛犊不怕虎”,姚骏恩大胆地把它拆开,清洗精密的旋转刮板后再装起来,经反复调试,这台电镜的各项性能终于恢复到原来的出厂指标。

当时有人提出质疑,光机所研制的电子显微镜是仿制的,你们能自主设计吗?为此,1958年9月,长春光机所成立电子显微镜研究小组,决定自行设计研制100kV大型电子显微镜,由姚骏恩任组长和课题负责人。他参考了国外有关文献和当时世界上最先进的德国西门子公司Elmiskop型电子显微镜产品样本,很快就完成了电子显微镜电子光学系统和电磁透镜的设计,并提出了对机械、电子线路等要求。1959年9月末,经过10个月的夜以继日的工作,姚骏恩率领研究小组终于研制成功我国第一台自行设计的XD-100型电子显微镜。

之后,这项成果被列为了中国仪器仪表行业从仿制到自行设计制造的一个标志和“中华人民共和国四十年重大科学技术成就”之一,并收入《自然科学大事年表》。当年10月1日,这台10万倍电子显微镜作为一项重大科技成果,在北京展览馆中央大厅按时展出,它的巨大模型列在中国科学院游行队伍最前面,接受了检阅。

1964年,姚骏恩在XD-100的基础上,又设计研制DX-2型100kV电子显微镜,重点解决了电子显微镜的“心脏”——物镜极靴的研制和髙稳定度100kV髙压电源的问题,分辨本领达到当时的国际先进水平0.4/0.5nm。1965年,他在《科学仪器》杂志上发表了我国第一篇详细论述电镜设计制造的论文,对国内的电镜研制工作起到了先导作用。

到了20世纪70年代以后,姚骏恩的科研事业蒸蒸日上。1973~1975年负责指导完成我国第一台扫描电子显微镜研制;1987~1988年率先在国内提出并主持完成扫描隧道显微镜的研制和生产;1991~1993年提出并主持完成我国第一台超分辨光子扫描隧道显微镜,还主持研制了原子力显微镜。累累硕果也让姚骏恩荣获了很多荣誉,他荣获了国家科技进步奖二等奖及全国科学大会奖等11项国家和省部级科技奖,还获得了中国电子显微镜学会的“钱临照奖”和“桥本初次郎奖”。

1994年4月,姚骏恩在中国科学院北京科学仪器研制中心正式退休。

继续献力航天

进入新世纪,姚骏恩在事业上迎来了“第二春”。2001年,他当选中国工程院院士。同年,他参与研制生产的Nspm-6800型扫描探针显微镜获得了2001BCEIA金奖。2003年,他进入了北京航空航天大学,任教授、校学术委员会副主任,航空科学与技术国家实验室(筹)首席科学家和理学院物理研究所所长。姚骏恩说:“这实现了他54年前报考航空工程系为祖国航空事业服务的愿望。”对此,他倍加珍惜。

在北京航空航天大学期间,姚骏恩兢兢业业,只争朝夕,尽自己最大的力量做好工作:开拓学科方向、培养科研人员。在国家自然科学基金和科学技术部等支持下,他负责完成了“纳米分辨率活细胞扫描探针原位实时显微观测系统的研究”、“复杂系统与空间物质结构科技创新平台”的子平台——空间物质纳米级就位测试、“扫描电镜增配聚焦离子束纳米加工系统”、“场发射枪透射电子显微镜”等研制项目,并筹建了“微纳测控与低维物理教育部重点实验室”等相关实验室。

姚骏恩将这次工作机会比喻为“第四次创业”,第一次是中科院在长春光机所主持设计、研制10万倍大型电子显微镜;第二次是在中科院北京科学仪器厂研制我国第一台扫描电镜,第三次是在中科院北京电子显微镜开放实验室主持完成扫描隧道显微镜的研制和生产工作。他说:“这是我的第四次创业,我希望重振我国电子显微镜制造事业;发展空间纳米测控技术,在进行太空探测时,能用上中国自己研制的超显微分析仪器,把原子力显微镜等超显微镜放到空间,在月球、火星表面实现纳米量级的就位测量……”

除了坚守在科研、教学的第一线外,姚骏恩还积极为中国的电镜事业出谋献策。他曾与王大珩等院士向国家呈交了“建立我国自己的纳米测量仪器和纳米加工装备制造业”的“工程院院士建议,又于2006年初提出了“振兴我国的电子显微镜制造事业”的建议。在他的积极推动下,“场发射枪透射电子显微镜的研制”被列为了“十一五”国家科技支撑计划的重大课题。

如今,我国电子显微镜研制事业已经取得了质的飞跃,相关技术被广泛应用于医学、生物学、地质学、考古学等多个领域。而这些成就的取得,离不开姚骏恩等老一辈科学家的无私付出,正是他们的一腔热血,才让我国很多领域从寸步难行变成不断前行!

光学显微镜与电子显微镜的区别

1、成像原理不同

光学显微镜的基本原理是利用被检样品的不同结构吸收光线的不同特点,以亮度差的形式呈现样品的物像。在电子显微镜中,利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描,与样品相互作用产行各种物理信号,这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号,最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。

2、照明源不同

光学显微镜的照明源是可见光(日光或灯光),而电子显微镜所用的照明源是电子枪发出的电子流,由于电子流的波长远短于光波波长,故电子显微镜的放大及分辨率显着地高于光镜。

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3、透镜不同

电子显微镜中起放大作用的物镜是电磁透镜(能在中央部位产生磁场的环形电磁线圈),而光学显微镜的物镜则是玻璃磨制而成的光学透镜。电子显微镜中的电磁透镜共有三组,分别与光学显微镜中聚光镜、物镜和目镜的功能相当

4、景深

一般光学显微镜的景深在2-3um之间,因此对样品的表面光滑程度具有极高的要求,所以制样过程相对比较复杂。扫描电镜的景深则可高达几个毫米,因此对样品表面的光滑程度几何没有任何要求,样品制备比较简单,有些样品几何无需制样。体式显微镜虽然也具有比较大的景深,但其分辨率却非常的低。

5、所用标本制备方式不同

电子显微镜观察所用组织细胞标本的制备程序较复杂,技术难度和费用都较高,在取材、固定、脱水和包埋等环节上需要特殊的试剂和操作,还需将包埋好的组织块放人超薄切片机切成50~100nm厚的超薄标本片。而光镜观察的标本则一般置于载玻片上,如普通组织切片标本、细胞涂片标本、组织压片标本和细胞滴片标本。

6、分辨率

光学显微镜因为光的干涉与衍射作用,分辨率只能局限于2-5um之间。电子显微镜因为采用电子束作为光源,其分辨率可达到1-3nm之间,因此光学显微镜的组织观察属于微米级分析,电子显微镜的组织观测属于纳米级分析。

7、应用领域

光学显微镜主要用于光滑表面的微米级组织观察与测量,因为采用可见光作为光源因此不仅能观察样品表层组织而且在表层以下的一定范围内的组织同样也可被观察到,并且光学显微镜对于色彩的识别非常敏感和准确。电子显微镜主要用于纳米级的样品表面形貌观测,因为扫描电镜是依靠物理信号的强度来区分组织信息的,因此扫描电镜的图像都是黑白的,对于彩色图像的识别扫描电镜显得无能为力。

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当雪花被放大100倍时是什么样子?15年来,这个男孩一直痴迷于在显微镜下拍摄雪花

近日,北京初雪到来之际,网友张超把空中飘落的雪花,放到100倍显微镜下进行观察,再用相机拍下定格照片。菱形、五边形……晶莹剔透的雪花看起来形态各异,引来不少网友赞叹:“大自然的鬼斧神工,真美。”

张超是一名气象爱好者,至今有15年多的雪花“收集”经验。他告诉紫牛头条记者,那天看到北京气温偏低,有下雪的可能性,就提前准备好机器,在附近的山区守着,“我每年冬天都会拍雪花,少则一次,多则三五次,像完成一个任务似的,坚持下来的动力就是‘爱好’两字,不拍就感觉这个冬天跟没过一样。”

走红网络

显微镜下放大100倍的雪花惊艳到许多网友

纷纷扬扬的雪花到底是什么形状?近日,北京男子张超拍摄的一组照片走红网络。在他的镜头下,平时肉眼观测无任何差别的雪花,被显微镜放大100倍后呈现出形态各异的形状,有的像六瓣花朵,有的像五边菱形,还有一片似乎被小猫偷踩了一脚,留下了猫爪似的脚印。

不少网友看到照片后,毫不吝啬地送上赞美之词:“永远相信大自然的审美,没有一片雪花是相同的,都是独一无二的”“想不出用什么词来形容这些独特的美”……扬子晚报紫牛新闻记者联系到拍摄者张超,他告诉记者:“以前我也在社交平台发布过自己拍摄的雪花,但是从来没有这么多网友关注过。”

拍摄这组雪花当天,他先是看了天气预报,知道有下雪的可能性,又判断了一下温度,觉得平原区的温度达不到拍摄要求,所以带着机器赶到附近山区的安全位置,“雪花拍摄需要一场比较靠谱的降雪,积雪有一定的厚度,并且气温要足够低。一般来说,零下七八摄氏度是比较合适的温度,这样雪花落到仪器上才不会化掉。”

张超说,显微镜可以提前连接好相机或者手机,等到雪降落下来,通过玻片采集雪花,“这时候直接去拍摄就好了。”

虽然说得轻松,但是在他看来,今年北京这场雪拍起来难度并不小,他忙碌3个多小时,只拍到了20多张,“首先还是温度上出现了问题,到山区也只有零下三四摄氏度的样子,雪花很容易化。另外,风力很大,经常会发生雪花样本被吹跑的情况,甚至连相机、显微镜整个都被吹倒。”所以这组照片尽管获得了很多网友的称赞,但他自己却不是很满意。

爱好使然

雪花“收集控”拍了15年“不拍感觉跟没过冬天一样”

记者了解到,张超是一名天文工作者,从大学专业到工作,都和天文相关。摄影是他的爱好之一,2006年他首次尝试拍摄雪花,起因是他看到国外摄影师拍摄的一组雪花,自己也想尝试一下,“摸索了两年左右,终于拍出第一组成功的照片。”

张超说,想想那时还挺激动的。从那之后,每年冬天他都会拍雪花,少则一次,多则三五次,像完成一个任务似的,“不拍感觉跟这个冬天没过一样。”

他还记得拍出的第一组雪花照是在河北,降雪条件比较合适,他花了整整一晚上的时间,一口气拍出七八张成功的照片,“凌晨1点开始拍摄的,一直忙到中午,也不觉得困。”

银白色的雪地里,他一个人拎着仪器,深一脚浅一脚地走来走去,选择好位置后,再趴到地上,通过显微镜进行观察,“冷到受不了,就回屋休息一会,身子变暖后再出来继续拍,大概拍20多分钟,就要回屋休息一会儿。”

就这样,张超连续拍了15年,拍雪花越来越顺手。坚持下来的动力是什么呢?听到这个提问,他说:“其实就是爱好。”那时候,没有自媒体,网络也没现在发达,拍摄的照片不能都分享出来,“因为雪花种类特别多,我越了解越好奇,想知道还有哪些没有挖掘出来的种类,而且发现收集这些照片也挺有意思的。”

自然造美

“猫脚印”雪花引起关注 他说:“每片雪花都独一无二”

这组引起网络热议的北京初雪雪花照中,最受网友关注的是那片好似留有猫脚印的雪花,很多人好奇地发问:“是不是被小动物踩到了?怎么形成的呢?”

对此张超哈哈一笑,解释道:“其实是叠上去的一片雪花,刚刚生长出来,正好粘在大片雪花的上面。”

谁都没想到,这个大自然不经意间创造的“小巧合”,反而给大家留下了深刻印象。张超说,在他看来,零下十五摄氏度左右时能看到非常大而复杂的雪花,“它们在不同的环境下生长,才形成了这些复杂又美丽的图案。”

他告诉记者,每片雪花都是独一无二的,不全是六个角,“更夸张的是十二个瓣的雪花,像小太阳一样。”

截至目前,为了收集雪花的形状,张超到过陕西、河北、青海等地,“河北以北的地方基本都去拍过。”张超说,东北雪花是他见过最漂亮的,他曾在东北见过最大的雪花,“直径超过2厘米,可惜它不够完整,只是一枚雪花的分支。”

“这种缺憾就会觉得非常可惜。”张超说,他在拍摄雪花时,心情总是跌宕起伏,“一会儿惊喜,一会儿懊恼。比如说一片雪花落到显微镜下,形状特别好,我正在高兴,一股风吹过来把它吹走了,我就会很后悔没早点抓拍。”

万物可拍

柴米油盐酱醋茶都能成为拍摄题材 他还拍过沙子和啤酒

张超向记者透露,他用显微镜不只是拍雪花,还拍过沙子、啤酒、电池的漏液和儿子的尿。生活里随处可见的一切,他只要想到,都会放到显微镜下观察一番。在他眼中,柴米油盐酱醋茶皆可成为摄影取材的道具。

在“追逐”冰雪的道路上,张超还把儿子吸引了进来。3年前北京冬天的一场大雪,他带着读三年级的儿子在自家小区的楼下一起蹲守即将到来的大雪,“因为带着孩子,那次拍的照片不算多,但是我和他都很开心。”

他还把妻子王燕平拉入了这个冰雪研究的“微世界”,2017年,两人合作出书《尊贵的雪花》,书里呈现了他们夫妻俩10多年共同拍摄的上千枚雪花的显微照片。其中有一张照片抓拍到他们趴在地上拍摄雪花的样子,虽然各自抱着显微镜面朝不同的方向,但动作极其相似,默契感十足。有网友在知晓他们的故事后,留言感叹道:“好酷的一对科普夫妇,有点小浪漫!”

张超说,“北京初雪”这组照片在网上火了以后,能从评论区感受到大家对自然的喜爱,还有人向他询问雪花的拍摄方法。

他告诉记者:“其实像我这样观察生活并不难,门槛也不算高,只需要一台普通的显微镜,再等上一场靠谱的降雪,就可以带着孩子在家门口收集雪花了。”

文/孙庆云

来源: 扬子晚报