本期专题简介

正作为科学界最重要的一个奖项,每年的诺贝尔奖都吸引了众人的关注。2014年诺贝尔奖在自然科学方面的获奖成果分别为"研制出超分辨率荧光显微镜""发现构成大脑定位系统的细胞""发明了高效蓝光二极管"。这些成果或突破光学显微镜的极限,拓展了人类的认识渠道;或发现动物导航系统的神经机制,解析出了生命的奥秘;或发明了高效蓝光二极管,为人类带     

《回望人类发明之路》连载之十八 驾驭电子(下)

正短短100年间,电子学领域的发明几乎影响到人类活动的一切方面。如果地球上的电子在一瞬间突然不辞而别,今天的人类真不知如何是好。电子技术领域的发明,拓展了人类获取自然信息的空间尺度。20世纪30年代,科学家开始突破光学显微镜的局限,深入更小的微观世界观察病毒和原子;开始通过电磁波获取光学望远镜无法得到的太空天体信息。1931年,德国科学家卢斯卡(1906-1988)发明了电子显微镜,利用电     

超高分辨率荧光显微成像:2014年诺贝尔化学奖解析

<正>"长期以来人们都为现有的光学显微技术感到困扰:如果观测物比可见光波长的一半(约0.2μm)还小,现有的光学显微镜就不能解析了,称之为光学衍射极限.2014年诺贝尔化学奖获奖者们利用荧光分子‘标记’这些精细结构,使它们在显微镜下变得五彩缤纷、清晰可辨,使科学家们能一瞥纳米级别的微小世界.从此,显微技术从‘微米’时代跨入‘纳米’时代."——2014年诺贝尔化学奖颁奖词     

基于NPLS 技术的气动光学畸变测量方法与应用

现有的气动光学畸变测量方法, 存在时空分辨率不高、受环境和积分效应影响等问题. 本文提出了一种新的超声速流场气动光学畸变测量方法, 基于自主开发的超声速密度场测量方法, 借助光线追迹法测量超声速流场某一截面对应的气动光学畸变. 与其他测量方法相比, 该方法有3 个显著的优点: (1) 高时空分辨率, 时间分辨率为6 ns, 空间分辨率最高可达微米量级; (2) 可避免传统方法的积分效应, 对感兴趣的局部流场进行研究; (3) 可避免风洞实验段壁面边界层和环境扰动等因素的影响. 采用该方法, 对超声速光学头罩流场的气动光学畸变进行了测量研究. 高时空分辨率的测量结果揭示了精细的波前畸变信息; 对局部流场的研究结果表明, 激波、膨胀波和湍流边界层对气动光学畸变有不同程度的影响; 测量范围的可控性, 使得测量结果免受风洞壁面边界层和环境等因素的影响.     

计算光学相位成像:从干涉数字全息到光强衍射层析

<正>自400多年前问世以来,光学显微技术经历了不断地革新,已从Leeuwenhoek时代简单的单透镜装置发展成为一种极为重要且精密的观察与计量科学仪器,广泛地应用于生物医学、工业生产、材料化工与科学研究等领域.2014年,诺贝尔化学奖授予了超分辨率荧光显微技术^[1].该技术突破了光学显微镜衍射极限的限制,将荧光显微成像的分辨率带入纳米时代,极大地推动了生命科学和基础医学的发展.除分辨率外,光学显微镜面临的另一大挑战是对比度传统显微镜受强度(振幅)探测机理所限,对无色透明物体(如细胞)的成像依赖染色标记.而在研究活细胞的生理活动及其长时程动态过程时,无标记显微是一种最为理想的探测手段1932年,Zernike发明了相差显微镜:通过空间滤波原理极大地提高了透明物体在镜下的可分辨性,Zernike也因此获得1953年的诺贝尔物理学奖^[2].但时至今日,该技术仍局限于二维定性观测,无法实现三维定量测量,发展较荧光显微技术明显滞后.     

扫描隧道显微镜中的磁场效应

1 引言自从Binnig等发明了扫描隧道显微镜以来,其在原子分辨率表面信息研究中,引起人们越来越大的兴趣.在最近的十年中,扫描隧道显微镜得到飞速发展,许多新的派生仪器不断地出现,诸如原子力显微镜(AFM),扫描隧道电位计(STP),扫描近场光学显微镜(SNOM)和弹道电子发射显微镜(BEEM).最近,Volcker等提出了一种新的扫描隧道显微镜工作模     

DNA纳米结构仿中国地图

用DNA在纳米尺度构造了中国地图形状. 所构造的纳米结构由DNA折叠而成, 直径约150 nm, 分辨率约6 nm. 通过原子力显微镜观测到的图形与设计图形几乎完全一致. 该图形的构造方法采用了Rothemund于2006年发明的DNA折纸术. 该研究证明了DNA折纸术具有构造几乎任何复杂二维纳米级图形的能力, 为基于自下而上方法的纳米构造技术提供了新方法.     

水相分散法制备CdTe纳米晶-聚合物复合微球

在水相中制备了高质量的CdTe纳米晶, 并制备了适合微加工的CdTe纳米晶-聚合物复合物, 将此复合物溶液分散到快速搅拌的聚乙烯醇(PVA)水溶液中, 除去溶剂, 得到了高荧光强度的微米级复合微球. 利用共聚焦荧光显微镜研究了分散过程中复合物溶液浓度, PVA浓度及搅拌速度等对微球尺度及形状的影响, 通过调节这些实验条件实现了对复合微球的控制.     

评《金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用》

自20世纪60年代激光出现以后,光学的发展极大地改变了人类的认识,对现代科技的发展起到了巨大的推动作用.然而随着信息技术的高度集成化和小型化,衍射极限成为传统光学难以跨越的尺度瓶颈.表面等离子体光学能够实现在纳米尺度上操纵和控制光子的产生、传播、调     

飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用

激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已广泛应用于众多的工业制造领域. 利用激光直写技术进行材料加工时, 其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制, 难于进行纳米尺度的加工. 飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段, 也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源. 近年来, 作为最新的激光加工技术之一的飞秒脉冲激光多光子微纳加工技术已成为国际上研究的热点. 该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应, 成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率, 可望在功能性微纳器件制备等纳米技术领域发挥重要作用, 具有广阔的应用前景. 在2001年日本科学家利用飞秒脉冲激光双光子聚合技术首次突破衍射极限获得120 nm的加工分辨率后, 最近我国科学家实现了15 nm线宽的纳米尺度加工分辨率. 在利用多光束并行加工技术进行快速、大批量微纳结构加工的同时, 最新发展的多光束组合技术实现了多部件组合加工、一次成型, 解决了微尺度零部件组装难题, 为微纳尺度器件及微机电系统的开发提供了具有实用化前景的加工方法与途径. 利用飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术的高精度、良好的空间分辨率和真三维加工能力的特点, 各国科学家制备出了各种微尺度光子学器件及微机电系统, 充分展示了该技术的应用前景. 随着对飞秒脉冲激光与物质相互作用机理、加工技术及相关材料技术的深入研究, 飞秒脉冲微纳加工技术必将获得快速发展, 并在先进纳米制造领域获得新的突破.     

走近诺贝尔奖(十六) 驾驭激光

正激光是人类的一项重大发明。科学家利用激光做镊子,捕捉那些如单细胞、细菌等肉眼甚至光学显微镜也看不见的同时还快速运动的小东西。三位科学家因为发明"光镊"而获得2018年诺贝尔物理学奖。近100年来,激光是继核能、电脑、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为"最快的刀""最准的尺""最亮的光"。激光自发明以来,科学家就在不断提升其性能、开发其新功能,取得了一个又一个令人瞩目     

手性无机纳米粒子:生物应用的新机遇

近年来,以手性生物分子和无机纳米粒子为基元构建的手性纳米结构因其具有新颖而独特的物理化学性质受到研究人员的广泛关注.手性分子与无机纳米粒子的耦合实现了手性从分子尺度向纳米尺度的跨越,将为光学和生物应用带来新的机遇.本文介绍了生物分子诱导的半导体纳米粒子的手性,系统阐述了手性无机纳米结构的构筑及光学性质,对手性纳米粒子的生物效应进行了简要介绍,并展望了手性纳米结构未来发展的前景和挑战.     

热处理对表面包覆纳米In2O3有机溶胶光学性质的影响

1983年美国Hugles研究所的Jain和Lind在市售的半导体微晶掺杂的滤波玻璃中发现了半导体纳米材料大的三阶非线性效应和超快速的时间响应.从此半导体纳米材料作为一种新的非线性光学材料引起了科学界的瞩目,对它的研究也蓬勃开展起来.体相In_2O_3是一类具有较大非共振三阶光学非线性的无机材料(λ=1.9μm,x~(3)=1700×10~(-15)esu.为了研究其在纳米尺度下光学非线性的变化和寻找高光学非线性的半导体纳米材料,我们采用热水解法合成了表面包覆有硬脂酸的纳米In_2O_3有机溶胶体系.采用表面包覆是基于以下两方面的考虑:首先,纳米材料由于其微小的颗粒和大的表面积,是热动力学上不     

微结构光学研究进展

微结构光学是一门属于多门前沿学科交叉的新兴学科 ,正处在产生重要研究成果的前沿 ,极有可能引发新兴产业。随着微电子工艺技术的进展 ,人们可以加工出越来越细的线宽 ,0 35微米线宽目前已在商品化生产线中采用 ,正在积极准备把 0 1 8微米线宽工艺技术推向市场 ,80纳米线宽已在某些实验室中成功做出。按照摩尔定律 ,更细线宽的加工能力继续取得进展 ,这说明人类正具有前所未有的微小尺度的加工能力 ,由此极可能引发新一轮光学产业技术革命。值得说明的是微电子工艺技术并不完全是微光学技术 ,如何设计、优化 ,并利用微电子工艺技术制造微…     

用强磁性FePt薄膜制作高性能磁力显微镜探针

磁力显微镜能够在几十纳米以下程度分辨磁性薄膜表面附近的漏磁场分布,已经成为获取亚微米尺度微粒子内部磁畴结构信息的有力工具.目前普遍使用的磁力显微镜探针,其矫顽力一般在0.3~1kOe之间.受被测材料磁性的影响,这样的探针稳定性很差.用FePt合金制作的磁     

跟着动物学发明

正大自然不仅为人类提供生存必需的资源,有的时候还向人类传授设计灵感。苍蝇的复眼结构启发了人类,使人类发明了一次能拍摄1 000多张高清晰照片的蝇眼照相机。防水自洁产品,来自于莲叶效应,这些莲叶表面具有微米级的突起细胞,细胞上又覆盖着一层纳米级的蜡状结晶,这些结构使得莲叶具有疏水性,出淤泥而不染。事实上,人们取材于生物的结构与功能的发明还有很多。子弹头列车与翠鸟1964年,在东京奥运会开幕前,日本推出了世界第一列子弹头列车,这是当时最快的列车之一,     

微晶与纳米硅薄膜表面形貌分形特征的研究

对纳米硅薄膜的微结构研究一直是这个领域中令人感兴趣的问题.Mandelbrot提出的分形理论可用于材料显微结构的定量表征,而分形维数是描述分形结构特征的一个重要几何参量.近年来,人们利用光学显微镜和SEM等手段对薄膜材料和金属断口的表面形貌进行了很多研究,但由于实验手段的限制,通常只能获得材料在微米尺度上的分形特征,而且存在实验过程和数据处理繁琐等缺点.80年代初发展起来的STM,具有纳米量级乃至原子量级的分辨率,能够非破坏性地直接获得样品表面形貌的实空间三维图象,便于进行数据处理,从而使人们可较方便地在纳米乃至原子尺度上对材料的表面进行研究.我们首先采用STM在纳米尺度上对不同工艺条件下按常规PECVD技术制备的微晶及纳米硅薄膜的表面形貌进行了观测,并结合分形理论计算了样品表面形貌的分形维数D,从而找到了D值与样品微结构参数之间的联系.1 实验过程实验所用的硅薄膜样品是在常规PECVD系统中,使用高比例的高纯氢稀释的硅烷作为反应气体,利用RF+DC双重功率源激励等离子体辉光放电制备得到的.薄膜样品的厚度～1μm,衬底为普通的玻璃片.样品表面微观形貌的观测是采用CSTM-9000型STM(中国科学院化学研究所生产)在常温和大气中完成的.观测前,样品在稀释的HF中漂洗,以除去表面上的氧     

挑战化学成像极限:世界最高分辨率的单分子拉曼成像

正[本刊讯]近日,中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室董振超研究小组在国际上首次实现亚纳米分辨的单分子光学拉曼成像,将具有化学识别能力的空间成像分辨率提高到前所未有的0.5纳米。Nature于2013年6月6日在线发表了这项成果。光被散射后,频率会发生变化,而频率的变化情况取决于散射物质的特性,这是物理学上著名的"拉曼散射"。拉曼散射中包含了丰富的分子振动结构的信息,不同分子的拉曼光谱的谱     

激光检测摩擦力显微镜的研制

纳米摩擦学已经成为摩擦学最活跃的研究领域之一。摩擦力显微镜(Friction force microscope,简称FFM)是最近几年在原子力显微镜(Atomic force microscope,简称AFM)基础上发展起来的一种具有很高分辨率的、用于研究物质表面微观摩擦性质的探测工具。由于以往在微观尺度上对摩擦现象的研究缺乏有效手段,因此,FFM自问世以来便受到广泛重视并在纳米摩擦学领域得到应用。目前纳米摩擦学研究领域的最新成果大都由AFM和FFM得到,如微摩擦力与表面轮廓斜率的对应关系、微摩擦力的周期性、微磨损的特性等。但AFM和FFM在纳米摩擦学领域的应用研究本身还有待于深入发展。虽然国内一些单位已开展对微观摩擦学的研究和扫描探针系列显微镜的研制工作,但尚未有用FFM从事纳米摩擦磨损研究的报道。清华大学摩擦学国家重点实验室与中国科学院化学研究所于1995年5月成功地研制出国内首台FFM。本文报道了我们在仪器研制方面所作的工作。     

氨基化单分散超顺磁荧光PGMA多功能微球制备

通过分散聚合法制备微米级单分散聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(PGMA)微球, 并对其进行氨基改 性, 随后在微球内部原位沉积合成磁性纳米粒子, 溶胀渗入量子点, 最终制备了氨基化、微米级、单分散、超顺磁、荧光复合多功能聚合物微球. 通过扫描电子显微镜(SEM)观察微球表面形貌, 并计算平均粒径及变异系数, 结果显示微球平均粒径为1.42 μm, 变异系数3.8%. 傅里叶红外光谱仪(FTIR)表征证明PGMA微球成功引入氨基. X射线衍射仪(XRD)和振动样品磁强计(VSM)分析表明原位生成了磁性纳米粒子, 微球具有超顺磁性. 荧光显微镜观察到多功能微球具有较强荧光强度. 紫外灯照射下磁分离实验表明微球兼具磁性和荧光. 所合成的多功能微球有希望应用于生物分离、生物成像、生物标记和荧光检测等领域.