材料微觀圖像的藝術效果

　　據國外媒體報道，加州大學聖地亞哥分校的物理學家已經開發出了一種新型超級X射線顯微鏡，其功能非常強大，具有極強的“貫穿透視”能力，可以透視材料深處的結構，就像超人傳説中具有X射線功能的掃描視野。這臺超級顯微鏡可以看到納米級的結構，也就是十億分之一米的細節。但是這還不是其全部功能，更不尋常是的：對於納米級的顯微觀測，並不是用類似鏡頭一樣的設備進行拍攝，而是需要憑藉超級計算機進行複雜的程序控制，才能完成顯微觀測。相關的文獻已經發表在本週早些時候美國國家科學院的在線閱讀版塊上。

　　整個超級顯微鏡的工作原理簡單描述是：將X射線儀器對準要觀測的對象，通過設備收集觀測對象上反射回來X射線，接著由計算機程序（或者説是一種算法）將這些收集到的X射線參數轉換成衍射圖像。據加州大學聖地亞哥分校的物理學助理教授、研究小組的負責人奧列格（Oleg Shpyrko）介紹：這種複雜的觀測方法，其背後不僅涉及到高難度的物理過程，還涉及到數學上的問題。我們做這項研究的目的是為了體現我們能首次觀測到納米級別的結構圖像，也就是説，我們不需要任何類似鏡頭那樣傳統的圖像成像手段，卻能看到納米級的情況。

　　下一步的發展是，我們將繼續完善這個超級顯微鏡，主要使用方向是為提高計算機的存儲量進行研究。使將來的計算機可以研製得更小，具有更強大運算速度和數據存儲量。加州大學聖地亞哥分校磁學中心主任埃裏克富勒頓（Eric Fullerton），同時也是本研究的另一個合作夥伴，同時也認為：這臺超級顯微鏡將幫助計算機專家研發新一代的硬盤以及磁盤驅動器，由於在目前磁盤表面上的數據磁位只有15納米的大小，所以要想提高單位存儲量，首先就要能看到這部分的結構，才能提出改進的方法。有了這臺超級顯微鏡的觀測能力，可以推動我們在未來研發出數據處理和存儲能力更強的計算機。同時，這個發展也適用於其他領域納米科學的研發工作，提高納米技術水平。

　　這如前文埃裏克富勒頓主任所強調的，我們要推動納米科學以及納米技術的進步，我們得首先了解研究對象（材料）在納米級上是具有哪些行為。我們希望能夠使用這個技術使研究對象在人工受控下提高存儲能力的水平，當然也可以應用於生物或者化學領域，解決在納米級觀測上的操縱問題。而為了進行納米級的研究工作，這臺超級顯微鏡允許你洞察你的研究對象在納米尺度上是什麼樣情況，同時也可以看到這個尺度上的任何細節。

　　由於沒有使用在類似鏡頭的成像器材，在觀測的過程中，要將一塊磁性材料包圍著觀測對象，或者在觀測過程中附加上儀器，能使得觀測“視野環境”出現變化，也就是説，這臺顯微鏡需要通過外因的作用，改變觀測視野。

　　奧列格助理教授實驗室的一位研究生阿希什特裏帕蒂（Ashish Tripathi）則開發了一種算法來輔助這個超級X射線顯微鏡。在工作原理上，就是一個計算機程序。這是因為在這臺顯微鏡研製初期，發現獲得的影響數據有些模糊，所以需要進一步在算法上進行修正。這個就像當年美國航空航天局的哈勃太空望遠鏡發射升空後，才發現出現了由於嚴重的球面鏡差所導致的成像模糊的情況，所以後續的補充完善工作還是需要的。類似的概念還體現在陸基天文臺，位於地面上的天文望遠鏡在糾正圖像由於地球大氣層所造成的影響時，需要使用自適光學系統進行調節，由電腦對望遠鏡進行控制移動微調。

　　但是，特裏帕蒂開發的計算機算法是全新的，其中還有許多模擬的程序可以今後繼續發展，當然，這是一個龐大且艱巨的工作。為了測試這臺超級X射線顯微鏡的穿透能力和觀測納米尺度的細節問題，物理學家設計了一個分層薄膜，這個薄膜主要組成是釓和鐵元素。而這類薄膜目前正在信息技術領域進行研究，用於發展高容量、體積更小、處理能力更快的計算機內存和硬盤驅動器。

　　通過這項研究，研究人員還發現了在觀測材料中加入磁性材料，在生成的影像數據中發現了納米級的磁疇存在。而對此，奧列格認為：實際上，這些材料會自發地形成磁條。在這臺超級X射線顯微鏡的觀測下，由釓和鐵元素組成的分層薄膜看上去有點兒類似果仁蜜餅甜點，它會逐漸變皺磁化形成一系列的磁疇，這情景就像我們指紋上重復螺旋的渦一樣。這個技術對於電腦工程師而言，是個非常重要的消息，這是我們在計算機納米領域的第一次的重要嘗試，同時也是具有極大的發展潛力，可以讓電腦工程師研發出越來越小的硬盤驅動器，“塞進”更多的海量數據。

　　由於這些材料是用越來越小的磁疇組成的，或者是越來越薄的類似指紋的樣式，可以將更多的數據儲存在一個越來越小的空間內，而做到這一點的關鍵是想方法縮小磁位的大小。當然，這個技術也可以應用於計算機的外部設備上，實現多種用途。

　　除了在信息領域的研發，這臺顯微鏡可以通過調整X射線的能量，用於觀測由不同元素組成的觀測對象，這一點對於化學上的微觀研究是非常有幫助的。而在生物學上，這臺顯微鏡還可以用於研究病毒，讓醫學研究人員獲得病毒的影像數據，且在對於細胞以及不同類型的組織結構成像上，比可見光原理的顯微鏡具有更高的空間分辨率。

　　本項研究中，研究人員還使用了芝加哥大學阿貢國家實驗室先進的光子源，以及可以説是西半球最明亮的X射線源，該研究計劃也得到了美國能源部的支持。同時參與的研究方還有加州大學聖地亞哥分校的電氣和計算機工程的研究人員、阿貢國家實驗室等。