針尖下的世界——漫談原子力顯微鏡

　　眼睛是人類認識世界的重要工具，然而對于小到只有幾個或者幾十個微米（1微米是1米的百萬分之一）的物體，像構成我們身體的細胞、導致我們生病的細菌等，人眼就無法分辨了，需要求助于光學顯微鏡。光學顯微鏡的問世使得我們能夠觀察到微米尺度的各種物體，這給我們的生活帶來了許多革命性的變化，例如細菌的發現顛覆了我們關于許多疾病的認識，從而使得人類的醫療水平上了一個新臺階。

　　那么借助光學顯微鏡我們是不是能看到無限小的物體呢？答案是否定的。光學原理告訴我們，對于尺寸小于可見光波長的物體，光學顯微鏡就無能無力了。可見光的波長在幾百納米（1納米是1微米的千分之一），這也就是我們借助光學顯微鏡能看到的最小尺寸。如果我們用波長更短的波來代替可見光，就有可能分辨更小的物體。根據這個思路，電子顯微鏡應運而生。電子也具有波動性，高速運動的電子的波長遠遠小于可見光，通常在0.1-0.01納米這個范圍，所以能幫助我們看到尺寸更小的物體，例如病毒通常只有幾十至幾百納米大小，借助電子顯微鏡人們才發現了它們。

　　電子顯微鏡雖然神通廣大，卻也有許多難以克服的缺點。一個大的問題是，空氣中的分子會和電子作用，使得它們不能到達我們需要觀察的樣品。正因為如此，使用電子顯微鏡觀察樣品時，樣品必須放置于高真空環境。這大大提高了儀器的成本，因為一個好的真空系統往往造價不菲。同時，真空環境也使得我們無法準確觀察某些樣品。例如用電子顯微鏡觀察某個物體表面的水滴顯然是不可能的——真空環境下水早變成蒸汽跑掉了。另一個大的問題是，使用電子顯微鏡觀察樣品時往往需要對樣品進行一些特殊的處理。例如用于觀察表面結構的掃描電子顯微鏡要求樣品表面必須導電，對于不導電的樣品如塑料、陶瓷或者生物樣品，表面必須事先覆蓋上一層金屬。這樣的處理不僅費時費力，而且有可能遮掩住樣品的一些結構甚至破壞樣品，使得我們觀察到的結果偏離了真實的情況。為了克服這些問題，在上個世紀80年代，人們又開發了一種更簡便快捷地觀察微觀世界的工具——原子力顯微鏡。

　　原子力顯微鏡雖然名字里有“顯微鏡”這三個字，卻是個地道的“冒牌貨”——它并不像光學顯微鏡和電子顯微鏡那樣利用電磁波或者微觀粒子來“看”一個物體，而是通過一根小小的探針來間接地感知物體表面的結構。這根探針小到什么程度呢？讓我們透過圖1一睹它的真容吧。我們可以看到，圖中主要部分是一個長約100微米，寬約20微米的條狀物，我們稱其為懸臂。在懸臂的末端是一個更小的尖狀物，最末端的直徑一般只有十幾個納米，我們稱它為針尖。針尖和懸臂合起來構成了一個完整的原子力顯微鏡的探針，一般使用硅或者氮化硅作為材料。可以說探針是原子力顯微鏡最為關鍵的部件。

圖1 原子力顯微鏡探針的電子顯微鏡照片。引自文獻[1]

　　看到這里可能很多朋友會問了，這樣一根小小的探針如何幫助我們“看”到小至微米甚至納米的物體？讓我們來想象這樣一個情景：我們想要知道湖面下一塊礁石的形狀，卻又不方便潛到水下，該怎么辦呢？我們可以坐在船上把一根長長的竹竿伸下去接觸礁石。因為竹竿的總長度是固定的，我們可以通過竹竿露出水面的長度推算出礁石表面某一點到水面的距離。這樣測量幾個點之后，雖然并沒有真正到水下看到這塊礁石，我們仍然可以大致知道它的形狀。

　　原子力顯微鏡也是運用了類似的原理。如果我們用一根探針來靠近某個物體的表面，當針尖與表面距離非常小時（一般在幾個納米左右），二者之間會存在一個微弱的相互作用。從圖2我們可以看到，針尖與物體表面之間的作用力大小和它們之間的距離直接相關，距離非常近時（一般小于零點幾納米）二者之間的力是相互排斥的，如果它們的距離略微增大，互相之間的作用力又會由排斥轉變為吸引。也就是說，我們可以通過針尖與物體表面之間作用力的大小來計算二者之間的距離，進而探測物體表面的結構。這種作用力實際上在任何兩個原子或者分子之間都能觀察到，稱為范德華力，這也就是為什么這種儀器會被冠名“原子力”。

圖2 原子力顯微鏡的針尖與所接觸表面之間的作用力與二者相互距離的關系。引自文獻[2]。

　　不過這里還有一個問題：針尖和物體表面之間的作用力是十分微弱的，我們該如何有效測量它的大小呢？這個時候前面提到的懸臂就派上用場了。由于針尖和懸臂是連在一起的，針尖受到的力會導致懸臂發生彎曲，受力越大，懸臂彎曲的越厲害。這樣，通過測量懸臂彎曲的程度，我們就可以知道針尖與物體表面之間的作用力的大小。但是懸臂由于受力而發生的彎曲依然很小，直接測量這么小的程度的彎曲并不現實。原子力顯微鏡的發明者巧妙地解決了這個難題。他們將一束激光投射到懸臂的上表面，激光被懸臂反射后又被檢測器接收。當懸臂沒有受力時，我們可以調節激光的位置使得反射之后的激光光束恰好到達檢測器的中心并保持入射激光光束的位置不變。一旦懸臂由于受力而發生彎曲，經懸臂反射到達檢測器的激光必然會偏離檢測器的中心。通過激光束的反射，懸臂的彎曲程度可以被放大1000倍，[3]這樣我們就能夠準確地測量出懸臂的彎曲程度（圖3）。我們可以再給針尖－懸臂－激光光束的完美組合配上一部精確控制的馬達，使得探針能夠以非常小的尺度在物體表面上移動，再加上必要的計算機軟件輔助，我們就能夠準確地探測到物體表面的微觀結構。

圖3 利用激光光束測量懸臂的彎曲程度。引自文獻[3]。

　　前面說了這么多，很多朋友可能已經等不及要一睹原子力顯微鏡的真面目吧？圖4展示的就是一臺很常見的原子力顯微鏡。也許有的朋友看過之后會失望：如此精密先進的儀器卻是“其貌不揚”！不過千萬不要小瞧它的威力。讓我們來看看原子力顯微鏡“看”到的玻璃表面是什么樣子（圖5）。這里要解釋一下，圖中的顏色并非玻璃表面真實的顏色，而是任意選取來表示表面的高度變化。顏色淺的部分表明這個地方的高度高于平均值，而顏色深的地方表明該處高度低于平均值。從這張圖中我們可以清楚地看到，看上去非常光滑的玻璃表面在微觀尺度上實際上布滿了“崇山峻嶺”。通過這張圖，我們可以非常明顯地感受到原子力顯微鏡較之電子顯微鏡乃至光學顯微鏡的一大優點：可以直接得到三維的圖像。另外，我們前面已經提到，原子力顯微鏡的測量依靠的是針尖與物體表面之間的相互作用，而這種相互作用是廣泛存在于各種分子或者原子之間的，所以原子力顯微鏡可以直接測量幾乎各種表面的結構而不需要像電子顯微鏡那樣做特殊的樣品處理，同時原子力顯微鏡也不像電子顯微鏡那樣需要一個高真空的環境。這不僅節省了大量的時間精力，而且原子力顯微鏡可以輕松解決許多電子顯微鏡無能為力的樣品。例如目前的技術甚至允許人們直接觀察某些液體的表面。

圖4 一臺典型的原子力顯微鏡。引自文獻[4]。

圖5 由原子力顯微鏡測量得到的潔凈玻璃的表面結構。引自文獻[3]

　　當然，許多技術都是有利有弊，原子力顯微鏡也不例外。原子力顯微鏡一個很大的弊端在于，由于測量是通過探針與物體表面的近乎直接接觸來實現的，探針的質量會直接影響到測量的準確程度。例如有的情況下針尖會被所測量的材料所玷污，有的時候針尖會劃傷所測量的表面，還有的時候針尖會折斷，即便不發生這些意外情況，針尖也會逐漸磨損，這都會使得測量的結果變得不準確。還是以我們之前提到的測量水下礁石為例，如果某次測量的時候用力不合適，竹竿末端接觸礁石表面的時候折斷了一小節，而我們又沒有及時發現這個問題，那么接下來的測量結果就會變得不準確。正因為如此，原子力顯微鏡的使用者往往需要足夠的經驗和耐心來判斷得到的結果是否合理。不過瑕不掩瑜，原子力顯微鏡仍然是一種非常便捷有效地探測微觀結構的工具。

　　光學顯微鏡和電子顯微鏡的問世都極大地拓寬了我們對自然界的認識，那么原子力顯微鏡是否也會帶給我們同樣的變革呢？讓我們期待從針尖下的世界獲得更多的精彩吧。

　　參考文獻

　　[1] http://www.acoustics.org/press/151st/Hurley.html

　　[2] http://www.nanoscience.com/education/afm.html

　　[3] http://www.eng.utah.edu/~lzang/images/Lecture_10_AFM.pdf

　　[4] http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atomic_force_microscope_by_Zureks.jpg