科学时光机 | 显微镜的诞生

1981年4月27日

从肉眼观察细菌，到能“擒住”单个原子——世界首台扫描隧道显微镜诞生

1981年4月27日，德国杰出的物理学家格尔德·宾宁与瑞士卓越的物理学家海因里希·罗雷尔携手合作，成功研发出全球首台创新的表面探测设备——扫描隧道显微镜。这一革命性的发明，使人类历史上首次得以即时观测到单个原子在物质表面的精确排列，以及与之紧密相关的表面电子行为的物理特性和化学性质，因此被国际社会公认为为20世纪80年代的十大科技成就之一。

扫描隧道显微镜的问世，是人类在探索微观世界的征途上迈出了崭新的一步，对化学、物理学、生命科学以及材料科学等多个学科领域产生了深远而广泛的影响，极大地推动了这些学科在微观层面的研究与发展。

发现于偶然的光学显微镜

人类科技的进步，往往蕴含着意外与契机，显微镜这一伟大发明的诞生便是如此。

早在公元2世纪，希腊学者托勒密便开启了光的折射现象的探索之旅，其光学著作《光学》对此进行了详尽阐述。然而，彼时的显微镜尚未问世。公元13世纪，意大利人巧妙地将透镜应用于视力矫正，眼镜由此诞生。

16世纪末，荷兰眼镜商詹森之子的一个偶然发现，为显微镜的诞生埋下了伏笔。他玩耍着父亲赠予的凸透镜时，意外发现眼前竟呈现出巨大且清晰的图像。

而将人们真正引领至微观世界的是列文虎克。他凭借单镜片显微技术，亲手磨制出直径仅3毫米的球形镜片，其放大倍数高达200倍，为人类打开了微观世界的新篇章。

显微镜的发展历程，是一部不断追求高分辨率的史诗。科学家们逐渐认识到，光学显微镜的分辨率与照明辐射波长密切相关，波长越短，分辨率越高。如今，现代光学显微镜的最大有效放大倍数已可达2000倍，能够清晰分辨200纳米的物体，甚至观察到最小的细菌。然而，对于尺寸远小于细菌的病毒，光学显微镜已力不从心。

推动生物学研究的电子显微镜

1878年，科学界意识到光学显微镜的分辨率存在理论上限，明确指出提升分辨率需依赖波长更短的辐射源。

1905年，爱因斯坦在其论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中，开创性地揭示了光子的波粒二象性，为光学研究开辟了新视野。受此启发，德国科学家鲁斯卡与克诺尔提出大胆设想：既然实物粒子皆具波动性，何不尝试以电子束替代光作为显微镜的光源？电子同样兼具波粒二象性，且其波长远短于光，理论上能揭示样品更精细的结构。

1932年，这一设想变为现实，鲁斯卡与克诺尔成功研制出首台电子显微镜，其放大倍数高达12000倍，远超当时的光学显微镜。1939年，在鲁斯卡的主导下，西门子公司进一步推动了电子显微镜的发展。电子显微镜的问世，标志着显微技术的一次重大飞跃。

时至今日，电子显微镜的技术已日新月异，工作电压可达100万伏，有效放大倍数更是高达100万倍。其分辨率之精，能区分物体上仅相隔0.2纳米的两点，这一能力是光学显微镜的千分之一。电子显微镜已成为科研领域的得力助手，助力科学家们深入观察金属的晶体结构、蛋白质分子、细胞乃至病毒的结构，极大地推动了生物学研究的进步。

扫描隧道显微镜诞生

在电子显微镜的观察过程中，待观测物体需置于真空环境，经历脱水处理，并承受高速电子的撞击，这一系列严苛条件极大地限制了可观测样本的范围，进而影响了观测结果的全面性。

1958年，日本科学家江崎玲於奈在探索重掺杂PN结时，意外发现了电子在固体中的隧道效应，这一发现揭示了隧道效应的物理本质，为后续科研开辟了新径。

1978年，新型显微镜的创意在一次偶然的交谈中悄然萌芽：IBM公司苏黎世实验室的科学家罗雷尔，在与德国研究生宾宁分享其实验室的表面物理研究蓝图时，宾宁突发奇想，提议利用隧道效应来探究表面微观世界。罗雷尔对这一创意表现出浓厚兴趣，随即在年底邀请宾宁加入苏黎世的研究团队，共同致力于开发基于隧道效应的显微镜技术。

历经无数挑战与不懈努力，宾宁与罗雷尔终于在1981年成功研制出扫描隧道显微镜。该显微镜的革命性在于，它首次利用隧道效应直接探测材料表面结构，无需透镜辅助，对样品无损伤，且能生成三维图像，实现了观测技术的飞跃。

扫描隧道显微镜以其超乎寻常的分辨率著称，水平方向可达0.2纳米，垂直方向更是精确至0.001纳米，足以捕捉样品表面原子级别的细微信息。鉴于原子直径通常约为0.3纳米，该显微镜的分辨率对于单个原子成像而言已绰绰有余。扫描隧道显微镜的问世，极大地推动了生物科学、表面物理学、半导体材料与技术、以及化学反应机制等领域的深入研究。

参考来源：科普中国、《北京科技报》《光明日报》