原子世界的窗口 - 彭博社

计算机屏幕从上到下缓慢填充着一个图像，图像中有球形投影从表面突出。它们看起来像坐在纸板托盘中的复活节彩蛋。然而，实际上，它们代表的是晶体格中钼原子的结构。图片显示这些直径仅为40亿分之一英寸的原子，像军事阵型一样精确排列，这是金属的一个特征。

十年前，这种原子视角并不存在。那时，科学家们不得不通过数学计算和化学反应推断他们对原子结构及其行为规律的了解。但今天，利用一种令人眼花缭乱的新型“扫描探针显微镜”（SPMs），这些显微镜物理感知表面而不是放大它，研究人员可以创建材料原子结构的三维图像。他们甚至可以逐个拾取原子并移动它们。

需求激增。其影响是巨大的。如果科学家能够深入了解表面上单个原子的特性和行为，他们就能更好地理解所有物质的性质和行为。因此，他们可能会了解到金属为何腐蚀、两个表面为何粘附，或生物反应是如何发生的。这些显微镜也已成为“纳米科学”的主要工具，纳米科学是影响各种产品的微型化下一个前沿。SPMs对原子的操控可以帮助工程师将芯片电路的厚度从现在大约是人类头发的四百分之一缩小到千分之一，从而使芯片速度大幅提升。SPMs“功能强大得惊人，”日本电信电话公司科学家金子礼三说。“这是我们第一次能够在现实世界中观察原子事件，并基于此构建设备。”

自从第一台仪器——扫描隧道显微镜（STM）在1986年获得IBM苏黎世实验室发明者的诺贝尔奖以来，科学家和工程师们一直在探索原子领域。生物学家正在对活细胞进行扫描探针显微镜（SPM）训练，以观察它们在分子层面的活动。而现在，通过注视计算机屏幕，福特汽车公司的工程师们可以直观地理解导致离合器、刹车和涂料材料磨损的力量。“如果我们能更好地诊断材料在原子层面上发生的事情，我们就能更有效地改进它们，”福特研究实验室物理系主任艾伦·D·布雷尔斯福德（Alan D. Brailsford）说。

这些设备也正在进入工厂生产线。电子巨头IBM、NEC和松下电器在生产硅晶圆、记录头和磁盘驱动器盘片的检查任务中使用定制的SPM。更重要的是，研究人员已经创造了第一批粗糙的SPM芯片。未来，配备数百个SPM的芯片可能被用作足够强大的传感器，以模拟人类视觉，或作为操控人类基因的探针，或用于超高容量的信息存储系统。“我们无法开始想象所有的应用，”IBM物理学家海因里希·罗赫尔（Heinrich Rohrer）说，他是STM的共同发明者。

因此，设备的需求激增也就不足为奇了。自1986年以来，大约有五家SPM制造商涌现出来。去年，最大的制造商——位于加利福尼亚州圣巴巴拉的数字仪器公司（Digital Instruments）销售额达2100万美元。明年，全球对SPM的需求可能达到约1亿美元，而今年为5000万美元，SPM的价格在60,000美元到500,000美元之间，加利福尼亚州圣克拉拉的TopoMetrix市场总监蒂姆·范·斯兰布鲁克（Tim Van Slambrouck）表示。

利用扫描探针显微镜（SPMs）的竞赛正在引发激烈的国际竞争。日本电子制造商是最早认识到这些仪器潜力的公司之一。在探索纳米科学及其可能技术方面，日本已经“远远领先于其他国家”，观察日本研究工作的罗赫尔（Rohrer）表示。事实上，日本认为SPMs非常重要，因此在1月份政府启动了2.5亿美元的原子操控项目。该项目汇集了包括摩托罗拉公司和德州仪器公司在内的30家电子和材料公司的才华，以开发新的SPMs和其他设备。

罗赫尔和格尔德·比宁（Gerd Binnig）在1981年发明的扫描隧道显微镜（STM）基于一种称为“隧穿”的电子效应，其中微小的电子电流在两个相邻的材料之间跳跃。当距离缩短或延长时，电流变得更强或更弱。这种变化是机器强大探测机制的基础。在STM中，隧穿电流在一个类似于微型唱针的金属尖端和目标样品之间渗透。这个尖端直径仅为几个原子，轻微地在样品上方来回拖动。当电流波动时，计算机会测量这些变化并将其转换为屏幕上的图像。

问题是，STM仅在导电表面上工作，例如金属。因此在1985年，IBM的比宁和两位同事发明了原子力显微镜（AFM），可以探测生物样品。AFM不是通过测量电流变化来创建图像，而是测量显微镜尖端原子与样品表面原子之间排斥力的变化（插图）。与需要复杂样品准备并且只能在真空中工作的电子显微镜等仪器不同，AFM可以在空气中或水下工作，并能够在样品的自然状态下进行探测。

在过去两年中，科学家们设计了多种变体的原子力显微镜（AFM），对磁性、温度和电化学特性的变化极为敏感。在美国电话电报公司的贝尔实验室，物理学家埃里克·贝特齐格正在完善近场扫描光学显微镜。通过使用发光的光纤探头，它获得了几乎与AFM一样好的分辨率，而无需接触样品。这消除了样品的磨损，并避免了与探头接触造成的失真。

具有讽刺意味的是，扫描探针显微镜（SPM）创建的计算机渲染图像已经超越了对原子行为的理解。样品中分子之间偶尔的空隙是材料的缺陷还是其他某种伪影？“你必须对你所观察的表面有很多了解，”阳光化学公司的研发副总裁约翰·M·鲁尼说，以正确解读这些图像。即便如此，一些公司现在已经足够自信，将这些机器投入生产线：位于新泽西州福特李的阳光化学公司已安装了一台AFM，以监测油墨和涂层在纸张上的附着情况。

SPM在IBM的价值也得到了证明。近两年前，IBM开始使用一种专门设计的AFM，检查在其位于佛蒙特州埃塞克斯交汇处的伯灵顿工厂上蚀刻的半导体晶圆上的电路线的宽度和深度。这台被称为SXM工作站的设备，其分辨率比IBM之前用于该任务的电子显微镜高出50倍。此外，这些包含118个芯片的8英寸晶圆，在进行检查时无需拆分。这为每条16兆位DRAM生产线节省了约100万美元，伯灵顿工厂的高级助理工程师迈克尔·L·杨说。IBM还希望通过Veeco Instruments Inc.销售SXM获利。到目前为止，IBM已经预定了六个订单。

与此同时，AFM在活组织中创建分子图像的能力正在产生引人注目的发现。在芝加哥大学，莫顿·阿恩斯多夫博士使用AFM从活细胞中剥离膜层。今年，这种“纳米解剖”产生了间隙连接内表面的第一张图片，这些孔状的沟通通道连接相邻细胞。它们的功能失常可能导致心律失常和其他疾病。医生们希望结构的图像能为他们提供线索，以开发更好的药物来治疗这种功能失常。

SPM移动原子的能力也可能帮助彻底改变信息存储。IBM科学家在1990年就指出了这一点，当时他们使用STM排列单个氙原子拼出公司的标志。这项工作花了一整天，但强调了一个观点：如果你可以操纵原子并将它们的存在或缺失作为数字语言读取，那么就存在原子级数据存储的潜力。理论上，国会图书馆可以存储在一个8英寸的硅片上，德州仪器日本筑波研发中心的主任唐·W·肖说。

数十亿比特。IBM继续推动在计算中使用显微镜的前沿。位于加利福尼亚州圣荷西的阿尔马登研究中心的科学家们使用激光加热AFM尖端，同时将其压在塑料盘上形成一个浅坑。通过将这些坑（其大小为CD-ROM上的坑的十分之一）读取为1和0，研究人员认为他们可以在一平方英寸的磁盘空间中存储300亿比特的数据，约为CD-ROM存储量的50倍。

尽管如此，今天的原子力显微镜（AFM）每秒只能读取100万比特，仅为传统设备的三分之一。要用于信息存储或纳米技术，它们需要更快。康奈尔大学国家纳米制造设施的主任诺埃尔·C·麦克唐纳表示，关键在于制造具有多个探针并行工作的芯片。麦克唐纳希望在一个指甲大小的硅芯片上放置1000个扫描探针显微镜（SPM）探针。做到这一点，芯片阵列可以在微秒内移动数千个原子，或创建能够模拟人类视觉或听觉的传感器。他说，这种技术是“未来10年电子产品的前兆”。

到目前为止，麦克唐纳已经成功让25个探针在一个芯片上并行振动。每个探针配备三个微型电机和一个书写笔，仅占3/1000平方英寸。麦克唐纳认为，这可以成为一种传感器的原型，这种传感器将比现在用于部署汽车安全气囊的加速度计更快、更可靠。

奥林巴斯光学公司的纳米计量实验室经理冈田孝夫也在使用并行阵列来创建更灵敏的扫描探针显微镜（SPM）。与AFM的共同发明人、斯坦福大学名誉物理学教授卡尔文·F·夸特合作，冈田将AFM缩小到可以在8英寸的晶圆上放置500个的大小。诀窍是制造一种薄膜，测量原子对显微镜书写笔施加的力。这种薄膜允许显微镜作为硅电路的一部分制造，使用传统的芯片制造工艺。这种灵敏的设备可以用于识别和操控构成基因的氨基酸序列，从而生成有关疾病原因和治疗的线索。

自然的答案。在金子实验室，科学家们正在使用扫描探针显微镜（SPMs）从自然中学习经验，以帮助他们创造纳米设备。在一个案例中，一位研究人员探测细菌的鞭毛或螺旋桨。将尾部与细胞连接的分子是自然对轴承的回答。这个结构远小于可以在硅芯片上蚀刻的最小元素，能够以每分钟10,000转的速度旋转。理解鞭毛如何在不分解的情况下工作，可以帮助金子制造微型磁盘驱动器和电动机。

关于美国和日本在扫描探针显微镜（SPMs）方面谁领先存在争论。一些专家，包括斯兰布鲁克，认为显微镜技术的快速发展对灵活的美国初创公司有利。谈到构建今天有用的机器时，“美国的努力和工作远比日本多，”AT&T的贝齐格同意。然而，贝齐格承认东京的努力资金充足，日本生产一些最好的显微镜组件，包括探针。因此，如果像计算机内存这样的单一市场创造了对扫描探针显微镜（SPMs）的巨大需求，“有风险的是大型[日本]制造商会投入大量资源”并超越美国生产商，斯兰布鲁克说。

无论谁在掌握扫描探针显微镜（SPM）技术的竞赛中领先，这些设备正在改变科学和工业的格局。通过将原子世界带到计算机屏幕上，显微镜打开了一扇通往看不见的力量和纳米技术领域的门。即使这并不立即导致芯片上的图书馆，扫描探针显微镜（SPMs）提供的视觉标志将有助于扩展科学发现的边界。