大學生用積木搭出納米級精度原子力顯微鏡

2020-11-25 中國新聞網

大學生用積木搭出納米級精度原子力顯微鏡

　　以高精密著稱的原子力電子顯微鏡，放大倍數高達數十萬倍，但是每臺造價也高達10萬元以上，難以進入普通中學的課堂。但在日前結束的清華大學暑期學校中，來自國內外高校的大學生卻用積木搭建出納米級精度的原子力顯微鏡，成本不到1000元。據了解，這些低成本顯微鏡今後有望應用於中學課堂。

　　藉助3D印表機

　　5天搭出顯微鏡

　　這個暑假，在清華大學國際暑期學校，來自牛津大學、倫敦大學、清華大學、北京大學等國內外高校的30多名大學生，5至7人分成一組，在五天的時間內連續奮戰，用積木搭建出一臺可以使用的原子力顯微鏡。整個搭建過程除了使用樂高積木外，學生們還使用基礎工業訓練中心的3D印表機，列印了一些部件。

　　相對於一些大學的「暑期學校」以遊學、放鬆為主的課程，這個暑期學校挑戰項目可謂是「高強度苦行軍」，很少有娛樂活動安排，學生需要全方位調動自己的能力，長時間泡在實驗室裡，在極其有限的時間內完成一架顯微鏡的製作，這對每個人都是一項艱巨的挑戰。

　　在評委到來前，第3組組員張運炎還在抓緊調試他們組製作的原子力顯微鏡，他毫不掩飾自豪感：「我們設計的裝置結構非常巧妙，絕大部分積木，配合少量的金屬元件固定就能完成。」這位英國倫敦大學博士二年級的學生今年科研做得不錯，導師「特批」了他一個月的假期，他就報名參加了這個活動。「原子力顯微鏡是非常高科技的東西，我在研究中經常會用到它。當我看到這個活動的時候，我想，這麼高科技的東西，用積木造出來，不是很有挑戰性嗎？所以，我就從英國跑回來玩積木了！」

　　為什麼選擇將製造原子能顯微鏡作為活動的目標？暑期學校的組織者，清華大學微納米力學研究中心副主任弗朗索瓦教授說：「原子力顯微鏡在表面科學研究領域是一個非常重要的儀器。一方面，該顯微鏡十分昂貴，但同時，它的機械結構簡單，所以有可能在一周以內，讓新手按照這個工作原理製造出來。」

　　就像盲人「看」到了世界

　　近日，記者在清華大學見到了這些顯微鏡。初一看，還以為就是用一塊塊小積木搭建出的玩具機器人，高約30釐米。唯一能看出「高科技」的地方就是它們布滿了各種線路，「這樣的傢伙，能看到我們所看不到的東西？」

　　搭建的學生告訴記者，不要小看這個略顯粗糙的「機器人」，積木塊上面安裝了高精度的光電二極體、壓電陶瓷管等元件。固定裝置發射出的雷射通過懸臂反射，照射在光電二極體上，隨著不同位置的變化，得出不同的反射角度，這些角度數據通過計算機晶片還原，就能得到被觀察物體的表面三維形狀。

　　學生們舉了一個形象的例子：盲人了解世界主要就是靠手觸摸感知它的表面形狀，然後通過大腦形象思維形成對這個物體輪廓的認識。原子力電子顯微鏡的原理亦是如此。清華大學工業工程系副教授顧學雍說，這次學生用五天時間製作的原子力電子顯微鏡已經能「看」到納米級大小的物體，遠遠超過了一般光學望遠鏡的觀察尺度。

　　積木顯微鏡造價省了99%

　　作為此次課程的組織者，顧學雍告訴記者，顯微鏡是高中常見的教學儀器，但一般的光學顯微鏡放大倍數不高，有時不能滿足學生的需求。原子力顯微鏡造價又很高，平均造價在10萬元以上。而積木顯微鏡的造價不會超過千元，兩者相差100倍。這次暑期學校的課程，目的是啟發大學生能夠面向中學和中學生，設計出他們適用的原子力顯微鏡，作為課堂教學的道具。

　　值得注意的是，在評選過程中，主辦方還特意邀請了包括清華大學附中在內多所中學的8名高中學生作為評委。中學生們看得很仔細，並逐一對大哥哥大姐姐的作品進行了點評。「有些作品操作性不太強，高中生使用桌子經常晃動，應該加上防震措施。」清華附中的高二學生歐陽楚可說。還有一些中學生認為，這些「積木電子顯微鏡」雖然很便宜，但維護條件很差，長期使用的保養、精確度校準都有問題，「我們總不能用一次就扔了吧？那成本還是很高。」

　　幾乎所有中學生都告訴記者，此前他們沒有接觸過原子力電子顯微鏡，學校的光學顯微鏡只能放大數十倍，看看細胞壁、細胞液而已，「這裡的大學生哥哥說，他們做的顯微鏡甚至能看到細胞質中的摺疊蛋白、核酸表面結構，這對我們來說就好比發現了新的世界。」

　　成熟作品將推廣到高中

　　顧學雍也坦言，由於時間有限，大學生們製作出的積木顯微鏡只是初具模型，離真正的實用還有不小差距。記者在探訪時發現，一些積木顯微鏡在實際觀測的時候還會出現一些小故障，比如有的不能自動探測，有的器件位置不對等。顧學雍透露，課程結束之後，大學生還可以繼續修改作品，當作品成熟完善之後，將推廣到部分高中學校。

　　顧學雍說，雖然評比結束，但是這個製造1000元以下原子力顯微鏡的活動會繼續下去，中英兩國的大學生們繼續通過網際網路推進這個項目，進一步完善他們的成果。

　　此外記者了解到，部分積木顯微鏡的實踐者還將獲得海外交流的機會。4位中國大學生和4位英國大學生將獲得推選參加明年的一項全球活動。「原子力電子顯微鏡項目到時候會向全世界發布，讓全世界的人們按照我們的設計來製作便宜的原子力顯微鏡。」弗朗索瓦教授說。而在中學教師看來，這無異於一次新的教學技術革命。(記者 張航)

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