原子力顯微鏡的原理及應用

　　因為有了超級天文望遠鏡，我們可以拍下宇宙的永恒美麗； 因為有了照相機，我們可以記錄大自然的千奇百怪和絢爛多彩；因為有了光學顯微鏡，我們揭開了微觀世界神秘面紗的一角。然而，由于光波衍射現象的限制，傳統光學顯微鏡的放大率不能無限提高，我們對納米世界（<1微米，即百萬分之一米）的真實面貌還了解較少。

　　“原子力顯微鏡”的誕生

　　人類探索未知世界的好奇心并未因此而消失，反而越來越強。1986年，IBM實驗室的G. Binnig、Ch. Gerber和斯坦福大學的C. F. Quate 教授在掃描隧道顯微鏡的基礎上發明了原子力顯微鏡[1]，由此開創出一種全新的觀測方式。人們借助這種顯微鏡既可以觀察材料和生物樣品表面的納米級精細形貌，也可以研究這些樣品的力學性能。

　　原子力顯微鏡”的工作原理

　　 原子力顯微鏡通過機械探針“觸摸”樣品表面表征其形貌并記錄力學性質。它的工作原理（圖一）類似人類用手指觸摸物品表面，當探針靠近樣品表面時，探針與樣品表面間會產生一個相互作用力，此作用力會導致懸臂發生偏折。激光二極管產生的激光束通過透鏡聚焦到懸臂背面，然后再反射到光電二極管上形成反饋。在掃描樣品時，樣品在載物臺上緩慢移動，而微懸臂在反饋調節系統調節下將隨樣品表面形貌而彎曲起伏，反射光束也將隨之偏移，由檢測器記錄表面形貌和力學信息。

　　原子力顯微鏡”下的微觀世界

　　 原子力顯微鏡因其超高的成像分辨率，常常獲得令人驚艷的結果。自然界里，氫原子與電負性大的原子X以共價鍵結合，它們若與電負性大、半徑小的原子Z（O、F、N）接觸生成X-H…Z形式的一種特殊的分子間或分子內相互作用，則為氫鍵。這一教科書上的定義，一直以來為大家所熟知，然而人們始終無法窺探其原本“容貌”。中國國家納米科學中心的科學家們利用原子力顯微鏡技術實現了對化學分子間作用的直接成像，在國際上首次直接觀察到了分子間的氫鍵（圖二）[2]。這一研究成果使我們教科書里的“氫鍵”變成了“眼見為實”。隨后，又有科學家利用原子力顯微鏡對單分子中氫鍵的強度進行研究，這一測量結果與理論計算精確吻合。