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材料微观图像的艺术效果

  据国外媒体报道,加州大学圣地亚哥分校的物理学家已经开发出了一种新型超级X射线显微镜,其功能非常强大,具有极强的“贯穿透视”能力,可以透视材料深处的结构,就像超人传说中具有X射线功能的扫描视野。这台超级显微镜可以看到纳米级的结构,也就是十亿分之一米的细节。但是这还不是其全部功能,更不寻常是的:对于纳米级的显微观测,并不是用类似镜头一样的设备进行拍摄,而是需要凭借超级计算机进行复杂的程序控制,才能完成显微观测。相关的文献已经发表在本周早些时候美国国家科学院的在线阅读版块上。

  整个超级显微镜的工作原理简单描述是:将X射线仪器对准要观测的对象,通过设备收集观测对象上反射回来X射线,接着由计算机程序(或者说是一种算法)将这些收集到的X射线参数转换成衍射图像。据加州大学圣地亚哥分校的物理学助理教授、研究小组的负责人奥列格(Oleg Shpyrko)介绍:这种复杂的观测方法,其背后不仅涉及到高难度的物理过程,还涉及到数学上的问题。我们做这项研究的目的是为了体现我们能首次观测到纳米级别的结构图像,也就是说,我们不需要任何类似镜头那样传统的图像成像手段,却能看到纳米级的情况。

  下一步的发展是,我们将继续完善这个超级显微镜,主要使用方向是为提高计算机的存储量进行研究。使将来的计算机可以研制得更小,具有更强大运算速度和数据存储量。加州大学圣地亚哥分校磁学中心主任埃里克富勒顿(Eric Fullerton),同时也是本研究的另一个合作伙伴,同时也认为:这台超级显微镜将帮助计算机专家研发新一代的硬盘以及磁盘驱动器,由于在目前磁盘表面上的数据磁位只有15纳米的大小,所以要想提高单位存储量,首先就要能看到这部分的结构,才能提出改进的方法。有了这台超级显微镜的观测能力,可以推动我们在未来研发出数据处理和存储能力更强的计算机。同时,这个发展也适用于其他领域纳米科学的研发工作,提高纳米技术水平。

  这如前文埃里克富勒顿主任所强调的,我们要推动纳米科学以及纳米技术的进步,我们得首先了解研究对象(材料)在纳米级上是具有哪些行为。我们希望能够使用这个技术使研究对象在人工受控下提高存储能力的水平,当然也可以应用于生物或者化学领域,解决在纳米级观测上的操纵问题。而为了进行纳米级的研究工作,这台超级显微镜允许你洞察你的研究对象在纳米尺度上是什么样情况,同时也可以看到这个尺度上的任何细节。

  由于没有使用在类似镜头的成像器材,在观测的过程中,要将一块磁性材料包围着观测对象,或者在观测过程中附加上仪器,能使得观测“视野环境”出现变化,也就是说,这台显微镜需要通过外因的作用,改变观测视野。

  奥列格助理教授实验室的一位研究生阿希什特里帕蒂(Ashish Tripathi)则开发了一种算法来辅助这个超级X射线显微镜。在工作原理上,就是一个计算机程序。这是因为在这台显微镜研制初期,发现获得的影响数据有些模糊,所以需要进一步在算法上进行修正。这个就像当年美国航空航天局的哈勃太空望远镜发射升空后,才发现出现了由于严重的球面镜差所导致的成像模糊的情况,所以后续的补充完善工作还是需要的。类似的概念还体现在陆基天文台,位于地面上的天文望远镜在纠正图像由于地球大气层所造成的影响时,需要使用自适光学系统进行调节,由电脑对望远镜进行控制移动微调。

  但是,特里帕蒂开发的计算机算法是全新的,其中还有许多模拟的程序可以今后继续发展,当然,这是一个庞大且艰巨的工作。为了测试这台超级X射线显微镜的穿透能力和观测纳米尺度的细节问题,物理学家设计了一个分层薄膜,这个薄膜主要组成是钆和铁元素。而这类薄膜目前正在信息技术领域进行研究,用于发展高容量、体积更小、处理能力更快的计算机内存和硬盘驱动器。

  通过这项研究,研究人员还发现了在观测材料中加入磁性材料,在生成的影像数据中发现了纳米级的磁畴存在。而对此,奥列格认为:实际上,这些材料会自发地形成磁条。在这台超级X射线显微镜的观测下,由钆和铁元素组成的分层薄膜看上去有点儿类似果仁蜜饼甜点,它会逐渐变皱磁化形成一系列的磁畴,这情景就像我们指纹上重复螺旋的涡一样。这个技术对于电脑工程师而言,是个非常重要的消息,这是我们在计算机纳米领域的第一次的重要尝试,同时也是具有极大的发展潜力,可以让电脑工程师研发出越来越小的硬盘驱动器,“塞进”更多的海量数据。

  由于这些材料是用越来越小的磁畴组成的,或者是越来越薄的类似指纹的样式,可以将更多的数据储存在一个越来越小的空间内,而做到这一点的关键是想方法缩小磁位的大小。当然,这个技术也可以应用于计算机的外部设备上,实现多种用途。

  除了在信息领域的研发,这台显微镜可以通过调整X射线的能量,用于观测由不同元素组成的观测对象,这一点对于化学上的微观研究是非常有帮助的。而在生物学上,这台显微镜还可以用于研究病毒,让医学研究人员获得病毒的影像数据,且在对于细胞以及不同类型的组织结构成像上,比可见光原理的显微镜具有更高的空间分辨率。

  本项研究中,研究人员还使用了芝加哥大学阿贡国家实验室先进的光子源,以及可以说是西半球最明亮的X射线源,该研究计划也得到了美国能源部的支持。同时参与的研究方还有加州大学圣地亚哥分校的电气和计算机工程的研究人员、阿贡国家实验室等。

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