原子世界之窗──扫描探针显微镜

【美国《商业周刊》８月３０日文章】题：原子世界的窗口
１０年前，人们还没有观察原子世界的手段。那时，科学家们只能从数字计算和化学反应中推知原子结构及其行为规律。但是现在，用一种新型的“扫描探针显微镜（ＳＰＭ）”，研究人员便能制作出某种材料原子结构的三维图像。这种显微镜的工作原理是感觉表面形状，而不是放大。它们甚至还能逐个拾起原子，并加以移动。
如果科学家们能观察材料表面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。他们可以了解金属腐蚀的原因、两个表面粘合的原因、或者发生生物反应的原因。这种显微镜还是“纳诺科学”的主要工具，纳诺科学是将要影响所有产品的微型化领域中的下一个前沿科学。通过对原子的操作，工程师们能缩小芯片中的电路，并使芯片速度提高许多倍。
自从世界第一台扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）为其发明家赢得１９８６年的诺贝尔奖以来，科学家和工程师们一直在探索原子世界的奥秘。生物学家们用扫描探针显微镜观察活细胞在分子级的活动，而福特汽车公司的工程师们则在计算机显示屏上观察引起离合器、制动闸等部件磨损的力的作用。
这种显微镜还应用于工厂生产线中。电子业巨人１ＢＭ、日本电气公司和松下电器等公司利用定做的扫描探针显微镜在生产硅晶片、录音机磁头和磁盘驱动母板时进行质量检查。更重要的是，已经制作出第一块原始扫描探针显微镜芯片。将来有一天，装有数百个扫描探针显微镜的芯片将能用作足以模仿人的视觉的传感器、用于操作人体基因的探针，或者用于超大容量的信息存储系统中。
到那时，出现对这种装置的需求激增的局面是不奇怪的。自从１９８６年以来，出现了大约５家生产扫描探针显微镜的公司。去年，其中最大的数字仪器公司销售额达２１００万美元。明年，全球对扫描探针显微镜的需求可能从今年的５０００万美元上升到１亿美元左右。
各国竞相开发扫描探针显微镜，正在引起激烈的国际竞争。同时首先了解这种显微镜技术潜力的公司中有日本电子装置制造公司。如今在探索纳诺科学和开发纳诺技术方面，日本已经远远领先于任何其他国家。日本十分看重扫描探针显微镜，因此政府１月份开始实施耗资２．５亿美元的“原子操作”计划。该计划是集中３０家电子装置和材料公司的专家共同开发新型扫描探针显微镜和其他装置。
扫描隧道显微镜是根据电子“隧道”效应制成的。该效应是：在两个极接近的金属材料表面间出现电子跃动，从而形成微弱的电流。为了解决扫描隧道显微镜只能应用于金属材料的局限性，１ＢＭ公司１９８５年研制出原子力显微镜。
在过去两年中，科学家们设计出了一系列的能精确测量磁强、温度和电化学性能的原子力显微镜。以原子力显微镜为基础制造的扫描探针显微镜能在任何条件下无损检测材料，如在空气中或在水下。
不管是谁在掌握扫描探针显微镜技术方面领先，这种显微镜正在改变科学和工业面貌。通过在计算机屏幕上展现原子世界，这种显微镜已经打开了通向未知力领域和通向纳诺技术领域之门。