【Geek 改變世界】工程師 DIY 15 萬美元超級顯微鏡,成功拍下原子圖像

【為什麼我們要挑選這篇文章】過去曾分享過工程師 DIY  Game Boy「挖礦機」、樹苺派「手提街機」 等精彩案例,這些動手改變世界的故事也讓大眾從不同角度看待「Geek 文化」。

不同於上述案例,這次的博士工程師則是 DIY 一台用於精密研究的 STM 顯微鏡,且僅用原機台 1/30 之一的售價便完成,Maker 們也能跟著 DIY,不懂還能去博士生的 Blog 發問!(責任編輯:何泰霖)

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作者:量子位

掃描穿隧式顯微鏡(STM),乍聽之下或許會覺得陌生。

但它在科學界的地位可不一般——除了讓人類能夠解析出晶體表面的原子結構及電子分佈情形,是奈米科技領域中重要的一個工具,還贏得了諾貝爾獎。

儀器之精密,就不用多說了。

而來自加拿大麥基爾大學的一位博士生 Berard,在家便自製了一台 STM,而且還成功拍下了石墨碳原子的圖像!

價格方面,專業的 STM 售價在 3 萬美元至 15 萬美元不等,但這位博士生自製的成本,僅僅花費了 1000 美元左右!

等於一下子省出了幾十萬器材費了啊,有沒有!

這不禁讓網友們驚嘆:這也太 geek 了吧!

STM 顯微鏡的原理

掃描穿隧式顯微鏡(STM)是一種放大倍率非常高的顯微鏡,甚至可以看到物體表面的原子。它的原理就蘊含在名字之中。

電子遇到絕緣體會被阻擋,就像人遇到了一面牆。但當絕緣體夠薄,量子力學的作用便開始突顯。

隨著「牆」越來越薄,電子開始能「穿過」絕緣體,到達另一側的導體上,就好像在絕緣體上開了一個隧道,因此叫做穿隧效應。

掃描穿隧式顯微鏡正是利用了這一原理。

當我們在探針和樣品之間加上電壓,二者之間的空氣就是一堵牆,如果探針和樣品之間足夠近,電子就能跳過空氣到達樣品上,電路中將會產生電流。

這股電流的大小和探針樣品之間的距離有關,根據電流大小可以反推出距離,從而得出樣品表面的高度數據,繪製出一張顯微圖像。

儘管 STM 原理並不複雜,但是要自己 DIY ,還是有不少技術難點。

首先,為了達到原子級的分辨率,探針的針尖必須夠細,尖端最好只有一個原子大小。

其次,探針和樣品之間的距離要很近,不到 1 nm,極其微弱的熱膨脹或者外界振動,也有可能使二者接觸,導致針尖被撞毀。

最後一個難題是,如何精準控制探針在平面上掃描。

博士生如何 DIY STM 顯微鏡?

STM 探針的製作其實並不復雜:取一根鉑銥合金絲或鎢絲,用剪線鉗斜著剪斷,並且輕輕拉動,盡可能獲得較細的尖端。

接下來是製作除震台。探針被固定在三塊鋼板上,鋼板之間用橡膠黏接,然後掛在三根長彈簧上,盡量降低系統的共振頻率。

鋼板的底部還安裝了一個磁鐵,當鋼板擺動時,磁鐵將在下方的鋁塊上感應出渦電流,渦電流又會產生反向的磁場抑制振動。

而控制探針的方法是使用壓電陶瓷,給這種材料兩端加上電壓便會伸縮,伸縮量與電壓大小和方向有關。

壓電陶瓷像三明治一樣,被夾在金屬電極之間,給 4 片區域加上不同的電壓就能控制探針在平面上來回移動。

由於穿隧的電流非常小,通常為 1nA 量級,因此還要對獲取的電流訊號進行放大。

Berard 還編寫了一個 Windows 軟體,來控制掃描,並根據電流數據輸出顯微鏡圖像。他還在個人網站上給出了這個 STM 控制軟體和開源代碼。

然後,他用這個自製 STM 對金、鉑、石墨等材料進行掃描,得到了非常美麗的圖像。

這位博士生有什麼來歷?

這個項目的作者 Dan Berard,是來自麥基爾大學的一名博士生。

他的研究方向是奈米技術和生物物理學,專注於開發 CLiC 顯微鏡技術,並將其用於線性擴展 DNA 分子以進行基因組分析。

除此之外, Berard 的一個愛好就是 DIY 一些電子產品,並由此延伸,他還與志同道合的夥伴共同創辦了 ScopeSys 這家公司,擔任聯合創始人兼工程負責人。

Berard 的 DIY 研究在網路上引發熱議。許多網友在驚歎能夠 DIY 如此精密儀器之餘,也有網友對這種「極客文化」發表了感慨:「極客文化簡直令人驚嘆!人們在家中製作各式各樣神奇的機器,許多更已經成為世界級產品,甚至改變了人類的歷史。」

但縱觀 Berard 在此付出的努力,並不是一步登天,而是耗時多年心血才完成的。

時至今日,他在自己的主頁上仍舊時常更新這個研究的進展。

許多網友也按照他的方法,自己動手做實驗,對於網友們在 DIY 過程中遇到的 bug , Berard 也會積極做出回覆和指導。

是否也想打造一台專屬 STM ?或許你也可以動手試試

參考資料:Dan Berard

(本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈博士生 DIY 超級顯微鏡,直接看到原子!網友:太極客了,一下省出幾十萬元  〉。首圖來源:Dan Berard

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