顯微攝影系列一：納米結構

出品：科普中國
製作：中國科學院化學研究所團委、青年志願者協會、研究生會
王秀鳳 高 霞 趙廣耀 朱明山 楊 蒹
監製：中國科學院計算機網路信息中心

納米科學與基因工程、智能技術一起被世界學術界稱為人類21世紀三大尖端技術。那麼，納米科學是什麼？它又為什麼被稱為尖端技術呢？首先，納米是長度單位，1納米等於十億分之一米，人的1根頭髮就有6萬納米那麼粗！當物質的尺度達到納米級別時，性質是否會發生變化？或者會有什麼奇特的性質呢？納米科學就是為了研究和回答這些問題的。研究發現，當物質的尺度達到納米級別時，性質會發生巨大的改變，展現出獨特的光學、力學等性質，例如，將金屬的納米顆粒製成塊狀金屬材料，其強度比一般金屬高十幾倍。

研究納米材料時首先需要了解它的樣子。納米技術的研究範圍為1～100納米，這樣的尺寸用普通的光學顯微鏡是觀測不到的。直到20世紀30年代，科學家發明了電子顯微鏡，包括透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡(SEM)，大大提升了對物質的解析度，透射電子顯微鏡的解析度甚至可以達到幾納米。另外，2014年獲得諾貝爾化學獎的超高解析度熒光顯微鏡也突破了光學衍射極限，可以達到低於200納米的解析度，這些技術和工具在納米科學研究中都是不可或缺的。

下面幾幅作品，是研究人員發現的或奇特或美麗的納米結構，它們的出現為略顯枯燥的科研生活增添了一抹亮色，讓我們一起來欣賞吧！

1.噴薄欲出

取圖儀器：SEM，S-4800

圖片介紹：圖中薄薄的一層紗是氧化石墨烯，納米球則是由銀/鹵化銀組成。一個形貌良好的納米結構，不僅有助於我們探索結構與性能的關係，為獲得高性能功能材料提供參考，而且還可以激起研究人員的興趣，有利於研究成果的推廣。本圖作者用此圖片作為研究成果的圖文摘要，引起了同行的極大關注，在五年內被引用超過300餘次，入選為高被引論文。

2.玩偶之家

取圖儀器：掃描電鏡S-4800

圖片介紹：將有機物在乙醇中加熱溶解，冷卻後形成沉澱，呈現出的結構如同各式的積木相接。小時候的你是否也有一個玩偶之家的夢想？這種結構不僅漂亮，而且簡單的合成方法也使這種結構可以得到廣泛的應用。

3.納米螃蟹

取圖儀器：正直偏光顯微鏡

圖片介紹：有機材料具有可修飾性，通過改變其組成可以在很大範圍內調整其性能，這是有機材料優於無機材料的主要特點。為了更好地調控有機材料的性能，研究人員需要研究單一變數對材料性能的影響，所以需要製備有機單晶。物理氣相沉積是製備有機單晶的主要方法之一。圖片是在物理氣相傳輸過程中形成的花樣，組成了兩隻大小各異的螃蟹，它們神態自然，憨態可掬，惟妙惟肖！

4.時間之花

取圖儀器：掃描電鏡S-4800

圖片介紹：銅（Cu）無機配位聚合物，靜置擴散十五天。在十五天的緩慢孕育中，這種配合物材料綻放了，不僅給科研人員帶來欣喜，這種獨特的形貌也將帶來獨特的應用。

5.微觀世界的冰糖葫蘆

取圖儀器：JEOL JSM-6700F型掃描電鏡

圖片介紹：人體中的牙齒、骨骼都是生物礦物，均由無機和有機材料組成，有機材料如蛋白質等如何調控無機礦物的形貌和生長對我們理解生物礦化過程十分重要。圖中的「葫蘆」是碳酸鈣，也是自然界中含量最豐富的生物礦物，葫蘆棒是聚丙烯絲，是一種疏水的有機材料，從圖中我們可以看到這種有機材料可以調控碳酸鈣的形貌和晶型。

怎麼樣？在顯微鏡下呈現出來的納米世界是不是千姿百態？猶如雕琢後的惟妙惟肖，再加上色彩的渲染更是形象逼真。就像神奇的大自然帶給我們的驚喜一樣，這些微小的結構也不禁讓我們感嘆科學的奇妙。下次聽說生活中的納米材料時，如果你搜索一下這個材料背後的故事，也許就會發現一個神奇的世界！

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