趣味化学 STM

1 让我 清清 地靠近你 江苏省淮阴中学 李莹莹 化学是以物质为研究对象 以阐明物质的结构及其变化规律为己任 所以 物质是 什么构成的 是化学的基本问题 也是核心问题 然而 从古希腊的德谟克利特 公元 前 460 前 370 年 到 17 世纪的波义耳 1627 1691 年 上下 2000 多年 尚未做出完 全正确的回答 我国古人也投身物质构成的探究 墨子就指出 端 是空间中不可再分割 的最小单位 庄子 天下篇 中也有记载 一尺之槌 日取其半 万世不竭 在这探究 过程中的重要难题是人类的眼睛根本无法观察到原子的存在 为此人类又促进了一系列 放大设备的研制 15 世纪末发明了放大镜 可将被观察的物体放大几倍到几十倍 到 17 世纪 又发明了光学显微镜 可将被观察的物体放大几百倍 但是原子和分子的尺寸实 在是太小了 举例来说 一万个氧气分子链接起来的长度还不到 1 m 到了 1951 年人类 又发明了具有高放大倍数 高分辨率的场离子显微镜 然而 即使这样划时代的突破也 未能给出一个原子或分子的直观图像 所以到了 20 世纪 60 年代仍有人断言 人类永 远不可能看到原子 虽然一路走来荆棘满地 但人类观察原子的 脚步从未间断过 终是拨开乌云见彩虹 1982 由 IBM 公司苏黎士研究实验室的 Gerd Bining 和 Heinrich Roher 研制出扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为 STM 图 1 使人类第一次清清楚楚地看到原子的样貌 可以想象当时人类是多么振奋和喜悦 扫描隧道 显微镜的问世使得人类直接观测微观世界的大门 被打开 为此这两位科学家与电子显微镜的创制 者 ERrska 教授一起荣获 1986 年诺贝尔物理奖 经历了几个世纪才研制出的高科技扫描隧 道显微镜 它的工作原理却简单得出乎意料 图 2 就如同一根唱针扫过一张唱片 一根 探针慢慢地通过要被分析的材料 针尖极为尖 锐 仅仅由一个原子组成 一个小小的电荷被 放置在探针上 一股电流从探针流出 通过整 个材料 到底层表面 当探针通过单个的原子 流过探针的电流量便有所不同 这些变化被记 录下来 电流在流过一个原子的时候有涨有落 如此便极其细致地探出它的轮廓 在许多的流 通后 通过绘出 图 1 图 2 2 电流量的波动 人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片 更为重要的是 扫描隧道显微镜还使得人们对单个原子 分子的直接操纵成为现实 由此引发出一种新 的加工工艺 纳米加工 1990 年 IBM 公司的科学家们用扫描隧道显微镜的探针将原子 吸起 一个一个的把他们放到一块金属镍的表面上 最终用 35 个惰性气体原子组成了 IBM 三个英文字母 图 3 1999 年 中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石 墨表面通过搬迁碳原子而绘制出了一张世界上最小的中国地图 纳米中国地图 图 4 这副地图究竟有多大呢 打个比方吧 如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图 上 就等于把这张一米见方的中国地图放在中国辽阔的领土上一样 人