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世界最快顯微鏡問世 阿秒瞬間捕捉電子運動

顯微觀點_96
・2024/11/11 ・1726字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

Adobestock 276618934
圖/顯微觀點

穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)的出世,將物體放大數百萬倍,讓科學家得幾看見小至 0.1 奈米的樣本結構。但是「看得小還要看得快」,若要看到電子的運動軌跡,還得快速捕捉才能看得清楚。

美國亞利桑那大學(University of Arizona)物理與光學系副教授哈山(Mohammed Th. Hassan)率領的研究團隊,日前開發了世界上最快的電子顯微鏡,小至 1 阿秒(attosecond)的解析度,能更精確地捕獲分子內的電子快速運動。

2023年諾貝爾物理學獎頒給法國物理學家皮耶.阿戈斯提尼(Pierre Agostini)、匈牙利/奧地利物理學家費倫茨.克勞斯(Ferenc Krausz)和法國/瑞典物理學家安妮.呂利耶(Anne L’Huillier),表彰他們「發展出產生阿秒光脈衝的實驗方法,得以研究物質中的電子動力學」。哈山團隊便是以此技術為基礎進行研究開發。

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21 世紀初,首次出現了具有奈秒(nanosecond)解析度的電子顯微鏡,以對雷射誘導的鎳金屬熔化和鈷塊體的形態變化進行成像,在這之後許多研究工作都集中在提高電子顯微鏡的時間解析度。

2008 年,電子顯微鏡的時間解析度提高到亞皮秒,亦即比皮秒(picosecond)還要小的時間尺度,擴展了電子顯微鏡對更快的分子和原子運動進行成像的能力。而透過連續和脈衝雷射光束的閘控技術,可將時間解析度提高到亞飛秒的時間尺度,記錄數阿秒的平均動態影片。

但這樣的阿秒脈衝序列僅限於成像週期性動力學,對非週期性的運動,如電荷遷移、電子運動等須將探測限制為單一事件的研究,則需要產生(使用)單一阿秒電子脈衝。

哈山團隊開發的顯微鏡,使用雷射將電子束切割成兩個超短脈衝。第一個脈衝稱為泵浦脈衝(pump pulse),將能量注入樣品並導致電子移動或其他快速變化;第二個脈衝稱為光閘脈衝(optical gating pulse),創造一個短暫時間視窗,產生閘控的單一阿秒電子脈衝。仔細同步兩個脈衝,研究人員就可以控制電子脈衝何時探測樣品。

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World Fastes Microscope
閘控光束被引導至發生電子閘控和阿秒電子脈衝產生的樣品位置,用於記錄影像(衍射/直接)以探測物質的電子動力學。圖/Attosecond electron microscopy and diffraction

就像相機上的快門一樣,這些脈衝也使團隊能夠每 625 阿秒捕捉一張石墨烯片中電子的新影像,時間解析度大約是現有技術的一千倍。

團隊也提到許多實驗因素對於執行阿秒電子成像實驗至關重要,例如:雷射的高重複率,以閘控大量電子;以及雷射光束的高穩定性強度來實現顯微鏡中的低訊噪比等。

「當你獲得最新一代的智慧型手機時,通常配備更好的相機」,哈山表示新開發的穿透式電子顯微鏡就像最新智慧型手機搭載非常強大的相機。

「現在使用我們的電子透射顯微鏡首次能夠達到阿秒級的時間解析度,我們稱之為『阿秒顯微術』。這是第一次,我們可以看到電子在運動中的樣態」,哈山說道。

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而新開發的電子顯微鏡可以即時拍攝、控制化學和生化反應,預期也將對材料合成、藥物設計和個人化醫療領域的研究產生助益。

時間的數量級

  • 阿秒(as):10-18 秒
  • 飛秒(fs):10-15 秒
  • 皮秒(ps):10-12 秒
  • 奈秒(ns):10-9 秒
  • 微秒(µs):10-6 秒
  • 毫秒(ms):10-3 秒

參考資料:

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹,碳循環就能不斷延續,二氧化碳在不同型態間流轉,而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性,讓木材成為相對環保的資源。

但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

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從吸碳到固碳的循環

砍對樹,很重要

實際上,有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而,熱帶雨林是無數動植物的棲息地,它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐,不僅生態系統遭到破壞,還有一個嚴重的問題–黃碳,也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳,會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地,將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題,還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響,經營得當的人工永續林,能將對環境的影響降到最低,是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成,因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下,我們才能不必冒著破壞原始林的風險,繼續享用木製品。

人工永續林的經營者需要注重環境保護與生態管理,確保砍下每顆樹木後,都有新的樹木接續成長。

如何確保你手中的紙張來自永續林?

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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