异稻瘟净

p 　　 strong 扫描隧道显微镜 /strong (scanning tunneling microscope，缩写为STM)，亦称为扫描穿隧式显微镜，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于1981年由格尔德· 宾宁及海因里希· 罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特· 鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。 /p p 　　它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外扫描隧道显微镜在低温下(4K)可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。 /p p 　　它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持稳定的电流，依此来观测物体表面的形貌。 /p p 　　换句话说，扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料(针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成)。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。 /p p 　　 strong 原子力显微镜 /strong (atomic force microscope，简称AFM)，也称扫描力显微镜(scanning force microscopy，SFM))是一种纳米级高分辨的扫描探针显微镜，是由IBM苏黎士研究实验室的比宁(Gerd Binning)、魁特(Calvin Quate)和格勃(Christoph Gerber)于1986年发明的。AFM测量的是探针顶端原子与样品原子间的相互作用力——即当两个原子离得很近使电子云发生重叠时产生的泡利(Pauli)排斥力。工作时计算机控制探针在样品表面进行扫描，根据探针与样品表面物质的原子间的作用力强弱成像。 /p center img alt=" " src=" http://www.kepu.net.cn/gb/special/hydrogenbond/basicknowledge/201312/W020140613331100352076.jpg" height=" 210" width=" 459" / /center p style=" text-align: center " strong 世界上第一台原子力显微镜和发明人之一比宁 /strong /p p 　　以一种简单的方式进行类比，如同一个人利用一艘小船和一根竹竿绘制河床的地形图。人可以站在小船上将竹竿伸到河底，以此判断该点的位置河床的深度，当在一条线上测量多个点后就可以知道河床在这条线上的深度。同样道理绘制多条深度线进行组合，一张河床的地形图就诞生了。与此类似，在AFM工作时的，原子力传感器相当于人和他手中的竹竿，探针顶端原子与样品原子间作用力的大小就相当于竹竿触及河底时水面下的长度。这样，在一艘小船(控制系统)的控制下进行逐点逐行的扫描，AFM就可以绘制出一张显微图像啦。 /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://www.kepu.net.cn/gb/special/hydrogenbond/basicknowledge/201312/W020140613331100358209.jpg" height=" 283" width=" 388" / /center p style=" text-align: center " strong 普通原子力显微镜的原理示意图 /strong /p p 　　原理解释起来并不算十分复杂，但是AFM的发明、使用与改进汇聚了大批科学家们的辛劳努力和创造性思维。特别是拍摄到氢键实空间图像所使用的非接触式原子力显微镜，经过分子沉积、温度控制、防振、探针、真空、控制系统等多方面的摸索与改造才最终具有如此强大的分辨能力。 /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 1 基本原理 /strong br/ /p p 　　原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。 /p p 　　 strong 2 /strong strong 成像模式 /strong /p p 　　原子力显微镜的主要工作模式有静态模式和动态模式两种。在静态模式中，悬臂从样品表面划过，从悬臂的偏转可以直接得知表面的高度图。在动态模式中，悬臂在其基频或谐波或附近振动，而其振幅、相位和共振与探针和样品间的作用力相关，这些参数相对外部参考的振动的改变可得出样品的性质。 /p p 　　1） strong 接触模式 /strong /p p 　　在静态模式中，静态探针偏转用做反馈信号。因为静态信号的测试与噪音和偏移成正比，低硬度探针用来增强外偏转信号。然而，因为探针非常接近于样品的表面，吸引力非常强导致探针切入样品表面。因此静态原子力显微镜几乎都用在总使用力为排斥力的情况。结果，这种技术经常被叫做“接触模式”。在接触模式中，扫描过程时保持探针偏转不变来使其探针和样品表面的作用力保持恒定。 /p p 　　2） strong 非接触模式 /strong /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/AFM_noncontactmode.jpg" height=" 291" width=" 350" / /center p style=" text-align: center " strong 原子力显微镜非接触模式 /strong /p p 　　在这种模式下，悬臂上的探针并不接触样品表面，而是以比其共振频率略高的频率振动，振幅通常小于几纳米。范德华力在探针距离表面样品1~3纳米时最强，它与其他在表面上的长程力会降低悬臂的振动频率。 /p p 　　通过调整探针与样品间的平均距离，频率的降低与反馈回路一起保持不变的振动频率或振幅。测量(x,y)每个数据点上的探针与样品间的距离即可让扫描软件构建出样品表面的形貌。 /p p 　　在接触模式下扫描数次通常会伤害样品和探针，但非接触模式则不会，这个特点使得非接触模式通常用来测试柔软的样品，如生物组织和有机薄膜 而对于坚硬样品，两个模式得到的图像几乎一样。然而，如果在坚硬样品上裹有一层薄膜或吸附有流体，两者的成像则差别很大。接触模式下探针会穿过液体层从而成像其下的表面，非接触模式下则探针只在吸附的液体层上振动，成像信息是液体和下表面之和。 /p p 　　动态模式下的成像包括频率调制和更广泛使用的振幅调制。频率调制中，振动频率的变化提供探针和样品间距的信息。频率可以被非常灵敏地测量，因此频率调制使用非常坚硬的悬臂，因其在非常靠近表面时仍然保持很稳定 因此这种技术是第一种在超高真空条件下获得原子级分辨率的原子力显微镜技术。振幅调制中，悬臂振幅和相位的变化提供了图像的反馈信号，而且相位的变化可用来检测表面的不同材料。 振幅调制可用在非接触模式和间歇接触领情况。在动态接触模式中，悬臂是振动的，以至悬臂振动悬臂探针和样品表面的间距是调制的。[来源请求]振幅调制也用于非接触模式中，用来在超高真空条件下使用非常坚硬的悬臂和很小的振幅来得到原子级分辨率。 /p p 　　 strong 3）轻敲模式 /strong /p p 　　 /p center img alt=" " src=" http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/72/Single-Molecule-Under-Water-AFM-Tapping-Mode.jpg/285px-Single-Molecule-Under-Water-AFM-Tapping-Mode.jpg" height=" 215" width=" 190" / /center p style=" text-align: center " strong 在不同的pH的溶液环境中使用轻敲模式得到的高分子单链的原子力显微镜图(0.4 nm 厚) /strong /p p 　　通常情况下，绝大部分样品表面都有一层弯曲液面，为此非接触模式下使探针足够靠近样品表面从而可以测试短程力，但是此时探针又容易粘贴到样品表面，这是经常发生的大问题 动态模式就是为了避免此问题而发明的，又叫做间歇接触模式(intermittent contact)、轻敲模式(tapping mode)或AC模式(AC Mode)。在轻敲模式中，悬臂通过类似于非接触下的装载在探针上的微小的压电元件做来上下振动，频率在其共振频率附近，然而振幅则远大于10纳米，大概在100~200纳米间。当探针越靠近样品表面时，探针和样品表面间的范德华力、偶极偶极作用和静电力等作用力会导致振幅越来越小。电子自动伺服机通过压电制动器来控制悬臂和探针间的距离，当悬臂扫描样品表面时，伺服机会调整探针和样品间距来保持悬臂的预设的振幅，而成像相互作用力则得到原子力显微镜轻敲模式图像。轻敲模式减少了接触模式中对样品和探针和损伤，它是如此的温和以致于可以成像固定的磷脂双分子层和吸附的单个高分子链。比如液相的0.4纳米厚的合成聚合物电解质，在合适的扫描条件下，单分子实验可以在几小时内保持稳定。 /p p 　　 strong 3 优点与缺点 /strong /p p 　　相对于扫描电子显微镜，原子力显微镜具有许多优点。不同于电子显微镜只能提供二维图像，AFM提供真正的三维表面图。同时，AFM不需要对样品的任何特殊处理，如镀铜或碳，这种处理对样品会造成不可逆转的伤害。第三，电子显微镜需要运行在高真空条件下，原子力显微镜在常压下甚至在液体环境下都可以良好工作。这样可以用来研究生物宏观分子，甚至活的生物组织。他就像盲人摸象一样，在物体的表面慢慢抚摸，原子的形状很直观的表现。 /p p 　　和扫描电子显微镜相比，AFM的缺点在于成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。 /p

（宇航员正在安装太空离心机）2021年4月29日11时23分15秒，中国空间站“天和”核心舱由长征五号B运载火箭托举成功发射，进入预定轨道，发射任务圆满成功。此次天和核心舱，搭载了湘仪独立自主研发的太空离心机，助力太空探索以及太空实验。这也标志着湘仪离心机从“陆地实验室”走向了“太空实验室”。从承担使命，到材料选择、产品设计、到模拟实验、到成功交付。湘仪为太空离心机项目调配资源，从无到有，一次次构思设计，一次次推翻重来，历时3年，突破一项项技术难关，终于成功交付。8月16日航天员聂海胜在中国空间站右手食指轻轻按动离心机启动键，绿灯亮起，“运转正常！”四个大字出现在屏幕上，湘仪人热泪盈眶。这一刻湘仪人对中国航天精神“特别能吃苦，特别能战斗，特别能攻关，特别能奉献”感同身受！ 湘仪离心机，从国企诞生至今55年，股份改制20周年，数十年磨一剑，一直专心专意做好离心机。从最初的我国首台超高速冷冻离心机（55000r/min）和首台高速冷冻离心机（20000r/min），到如今能够满足各种实验室需求的离心机，如全自动离心单元、生物安全离心机、植物径流离心机、岩芯石油离心机等。太空离心机的成功，不止是湘仪在产品的全方位探索上的成功，也代表湘仪产品研发和品控能力提升到一个新的阶段。湘仪在产品质量、用户口碑的成功，离不开以下两个个方面：强大的技术研发湘仪离心机拥有30多名产品研发人员，其中包括多名工程师。拥有离心机实验室、老化室、静音测试室、爆炸实验室等。与国内多所大学建立材料类、电机类等科研合作。与国内外多家产品性能与可靠度测试机构保持长期合作。所有的机器、转子都会在实验室进行各项测试并满足之后，投入线上生产。精湛的生产能力湘仪离心机目前总生产面积达1.5万平米，年离心机产能可达8万台。工艺工程师数人，技术工人数十人，拥有数十台国内外高精度加工设备（数控机床、五轴加工中心、坐标镗、三坐标测量仪、动平衡仪、探伤仪等生产检测设备）。核心零部件二十年来一直坚持自主加工生产，工艺参数不断打磨、不断精益，形成一系列独到的加工工艺与质量控制方法。 自主生产的同时拥有国内最完备的离心机供应链，参与到供应链的投资与工艺开发，协助供应商一起成长与壮大。 湘仪不断完善产品可追溯体系，机器的每一个关键零部件、组装过程、检验过程、软件程序做到全覆盖可追溯，达到产品全方位、无死角的可控。 湘仪所有的离心机，从来料到零部件生产到整机组装到成品调试到出货检验，全过程实施质量监控与测量。出厂之前进行严格的产品检验，包括机器的噪音、振动、转速、温控等等。并且让离心机带上相应的转子体，模拟客户使用条件长时间的进行拷机运行，保障产品品质。让我们的离心机发到客户手上是一台可信赖的实验室好设备。中国航空航天事业从“问天”到”飞天“，其中经历了多少波折，才有如今的成就。湘仪人也是一样，肩负使命，砥砺前行，始终不忘初心“专心专意做好离心机”，将会更加注重离心机的品质，协助各客户的实验室建设，也为国产仪器设备行业，增添湘仪力量！

在近日举行的首届“大走廊杯”中国杭州博士后科创精英赛总决赛中，杭州师范大学物理学院杨泽超教授团队带来的项目“高时空分辨变温扫描隧道显微镜的研发与制造”从来自美国、英国、德国等13个海外国家和北上广深等30余个城市的300多个青年博士后团队中脱颖而出，得到不少科研人员和投资者的关注。首届“大走廊杯”中国杭州博士后科创精英赛总决赛现场要实现弯道超车、跨越发展，科学研究就要更具前瞻性一位创投公司高级投资总监表示:“我很看好这个项目，觉得这个产品应用范围很广，而且有较高的技术壁垒，他们把分辨率做到了原子级。同时，此仪器还能对原子的运动过程进行毫秒级的实时捕捉。”物理学院杨泽超教授据悉，扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）是一种空间分辨率可以达到原子量级的微观探测工具，它能使人类直接地观察到物质表面的单个原子及其排列状态，并且能够研究其相关的物理、化学性质，因此在表面科学、材料科学、生命科学等领域得到了广泛应用。杨泽超介绍，表面纳米结构在不同温度条件下表现出不同的物理化学性质，而扫描隧道显微镜因具有原子分辨率实空间成像能力，尤其适合用来研究这类材料的表面物性。但同时表面结构动力学过程通常发生在毫秒或微秒的时间尺度。因此，在变温条件下工作的同时具有高时间分辨率的扫描隧道显微镜已经成为世界上很多研究小组的研究项目。“目前基于超高真空环境的扫描隧道显微镜已经高度商品化，尤其是德国和日本公司的产品占据市场的统治地位。但是兼具高时空分辨的变温快速扫描隧道显微镜国内外尚未出现成熟商品化产品。”杨泽超瞄准了这个空白， 2016年在德国马普学会弗里茨-哈伯研究所开展博士后研究工作时，将精力和重心放在高时空分辨变温扫描隧道显微镜的研发与制造上。他说，要实现弯道超车、跨越发展，科学研究就要更具前瞻性。“光搭建这个显微镜设备就花了2年时间，如果算上前期研发设计，总共花了6年。我们每周工作70个小时以上，无论酷暑还是严寒，我们都坚守在实验室内，紧盯测试过程，饿了就几顿并作一顿，累了就趴在桌子上休息。”回忆起研发历程，作为团队核心成员的杨泽超非常感慨，“六年磨一剑，不仅要坐得住冷板凳，还要有不惧困难的勇气。下一步我们将继续优化仪器的软硬件设计，提高仪器操作的便捷性。”个人价值和国家需要相结合，是很有成就感的事2021年，在德国求学生活已过十年的杨泽超，做出了一个决定，结束自己的海外生涯，正式归国。他带着“高时空分辨变温扫描隧道显微镜的研发与制造”项目加入物理学院。“我们不仅针对性解决了传统扫描隧道显微镜在快速扫描时图像畸变和快速慢速扫描不易切换等硬件方面的问题，而且自主研发的扫描头和快速扫描控制系统，在保有原子分辨率的前提下可以达到120帧/秒的成像速率。可以系统地研究不同覆盖度下氧原子在 Ru(0001) 表面的扩散运动机制。仪器的工作温度范围也扩展到了（200-1000 K）。这套设备将成为研究纳米材料‘时间-结构-性质’构效关系的理想科研仪器，为表面物理和化学的研究提供更多的实验手段，在原位实时实空间研究表界面原子扩散、薄膜材料生长和化学反应等领域均具有重要意义。” 杨泽超自豪地介绍道，“作为杭师大的老师，我不仅想让这个项目在祖国落地，更想在我工作生活的杭州有所作为，能将个人价值和国家需要相结合，是很有成就感的事。”目前杨泽超已将他研发的高时空分辨变温扫描隧道显微镜放置在学校实验室内。“作为一名教师，除了基础的教学，我也想通过自己研发扫描隧道显微镜的经历引导学生了解前沿的技术动态和趋势，带给学生更多的启发。” 他动情地说，“物理学作为基础学科，对于国家的现代化建设和产业升级具有重要的推动作用，我愿为培养这样的基础学科人才而继续努力。”