積木搭建出“納米級”顯微鏡
來源：北京晚報(bào) 2013-9-17 張航
以高精密著稱的原子力電子顯微鏡，放大倍數(shù)高達(dá)數(shù)十萬倍，但是每臺(tái)造價(jià)也高達(dá)10萬元以上，難以進(jìn)入普通中學(xué)的課堂。但在日前結(jié)束的清華大學(xué)暑期學(xué)校中，來自國內(nèi)外高校的大學(xué)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(jù)了解，這些低成本顯微鏡今后有望應(yīng)用于中學(xué)課堂。
借助3D打印機(jī) 5天搭出顯微鏡
這個(gè)暑假，在清華大學(xué)國際暑期學(xué)校，來自牛津大學(xué)、倫敦大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等國內(nèi)外高校的30多名大學(xué)生，5至7人分成一組，在五天的時(shí)間內(nèi)連續(xù)奮戰(zhàn)，用積木搭建出一臺(tái)可以使用的原子力顯微鏡。整個(gè)搭建過程除了使用樂高積木外，學(xué)生們還使用基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心的3D打印機(jī)，打印了一些部件。
相對于一些大學(xué)的“暑期學(xué)校”以游學(xué)、放松為主的課程，這個(gè)暑期學(xué)校挑戰(zhàn)項(xiàng)目可謂是“高強(qiáng)度苦行軍”，很少有娛樂活動(dòng)安排，學(xué)生需要全方位調(diào)動(dòng)自己的能力，長時(shí)間泡在實(shí)驗(yàn)室里，在極其有限的時(shí)間內(nèi)完成一架顯微鏡的制作，這對每個(gè)人都是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
在評委到來前，第3組組員張運(yùn)炎還在抓緊調(diào)試他們組制作的原子力顯微鏡，他毫不掩飾自豪感：“我們設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)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(xué)博士二年級的學(xué)生今年科研做得不錯(cuò)，導(dǎo)師“特批”了他一個(gè)月的假期，他就報(bào)名參加了這個(gè)活動(dòng)。“原子力顯微鏡是非常高科技的東西，我在研究中經(jīng)常會(huì)用到它。當(dāng)我看到這個(gè)活動(dòng)的時(shí)候，我想，這么高科技的東西，用積木造出來，不是很有挑戰(zhàn)性嗎？所以，我就從英國跑回來玩積木了！”
為什么選擇將制造原子能顯微鏡作為活動(dòng)的目標(biāo)？暑期學(xué)校的組織者，清華大學(xué)微納米力學(xué)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(xué)研究領(lǐng)域是一個(gè)非常重要的儀器。一方面，該顯微鏡十分昂貴，但同時(shí)，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，所以有可能在一周以內(nèi)，讓新手按照這個(gè)工作原理制造出來。”
就像盲人“看”到了世界
近日，記者在清華大學(xué)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(jī)器人，高約30厘米。唯一能看出“高科技”的地方就是它們布滿了各種線路，“這樣的家伙，能看到我們所看不到的東西？”
搭建的學(xué)生告訴記者，不要小看這個(gè)略顯粗糙的“機(jī)器人”，積木塊上面安裝了高精度的光電二極管、壓電陶瓷管等元件。固定裝置發(fā)射出的激光通過懸臂反射，照射在光電二極管上，隨著不同位置的變化，得出不同的反射角度，這些角度數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)芯片還原，就能得到被觀察物體的表面三維形狀。
學(xué)生們舉了一個(gè)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，然后通過大腦形象思維形成對這個(gè)物體輪廓的認(rèn)識。原子力電子顯微鏡的原理亦是如此。清華大學(xué)工業(yè)工程系副教授顧學(xué)雍說，這次學(xué)生用五天時(shí)間制作的原子力電子顯微鏡已經(jīng)能“看”到納米級大小的物體，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀察尺度。
積木顯微鏡造價(jià)省了99%
作為此次課程的組織者，顧學(xué)雍告訴記者，顯微鏡是高中常見的教學(xué)儀器，但一般的光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)不高，有時(shí)不能滿足學(xué)生的需求。原子力顯微鏡造價(jià)又很高，平均造價(jià)在10萬元以上。而積木顯微鏡的造價(jià)不會(huì)超過千元，兩者相差100倍。這次暑期學(xué)校的課程，目的是啟發(fā)大學(xué)生能夠面向中學(xué)和中學(xué)生，設(shè)計(jì)出他們適用的原子力顯微鏡，作為課堂教學(xué)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(xué)附中在內(nèi)多所中學(xué)的8名高中學(xué)生作為評委。中學(xué)生們看得很仔細(xì)，并逐一對大哥哥大姐姐的作品進(jìn)行了點(diǎn)評。“有些作品操作性不太強(qiáng)，高中生使用桌子經(jīng)常晃動(dòng)，應(yīng)該加上防震措施。”清華附中的高二學(xué)生歐陽楚可說。還有一些中學(xué)生認(rèn)為，這些“積木電子顯微鏡”雖然很便宜，但維護(hù)條件很差，長期使用的保養(yǎng)、精確度校準(zhǔn)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(xué)生都告訴記者，此前他們沒有接觸過原子力電子顯微鏡，學(xué)校的光學(xué)顯微鏡只能放大數(shù)十倍，看看細(xì)胞壁、細(xì)胞液而已，“這里的大學(xué)生哥哥說，他們做的顯微鏡甚至能看到細(xì)胞質(zhì)中的折疊蛋白、核酸表面結(jié)構(gòu)，這對我們來說就好比發(fā)現(xiàn)了新的世界。”
成熟作品將推廣到高中
顧學(xué)雍也坦言，由于時(shí)間有限，大學(xué)生們制作出的積木顯微鏡只是初具模型，離真正的實(shí)用還有不小差距。記者在探訪時(shí)發(fā)現(xiàn)，一些積木顯微鏡在實(shí)際觀測的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)一些小故障，比如有的不能自動(dòng)探測，有的器件位置不對等。顧學(xué)雍透露，課程結(jié)束之后，大學(xué)生還可以繼續(xù)修改作品，當(dāng)作品成熟完善之后，將推廣到部分高中學(xué)校。
顧學(xué)雍說，雖然評比結(jié)束，但是這個(gè)制造1000元以下原子力顯微鏡的活動(dòng)會(huì)繼續(xù)下去，中英兩國的大學(xué)生們繼續(xù)通過互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目，進(jìn)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(shí)踐者還將獲得海外交流的機(jī)會(huì)。4位中國大學(xué)生和4位英國大學(xué)生將獲得推選參加明年的一項(xiàng)全球活動(dòng)。“原子力電子顯微鏡項(xiàng)目到時(shí)候會(huì)向全世界發(fā)布，讓全世界的人們按照我們的設(shè)計(jì)來制作便宜的原子力顯微鏡。”弗朗索瓦教授說。而在中學(xué)教師看來，這無異于一次新的教學(xué)技術(shù)革命。
