化學(xué)好學(xué)嗎？光纖探針可以看到分子鍵！在《復仇者聯(lián)盟3》中，托尼·斯塔克警告斯科特·朗，把他送進(jìn)量子領(lǐng)域，再把他帶回來(lái)，將是“十萬(wàn)分之一的宇宙僥幸”。實(shí)際上，將光束縮小到一個(gè)納米大小的點(diǎn)來(lái)監視量子尺度光與物質(zhì)的相互作用并獲取信息并不容易?，F在，加州大學(xué)河濱分校工程師們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)，可以以前所未有的效率將光引入量子領(lǐng)域。
發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上的研究中，由化學(xué)與環(huán)境工程助理教授嚴如雪(音譯)和電子與計算機工程助理教授劉明(音譯)領(lǐng)導的一個(gè)團隊描述了世界上第一個(gè)便攜式、廉價(jià)的光學(xué)納米鏡工具，該工具集成了玻璃光纖和銀納米線(xiàn)聚光鏡。該設備是一個(gè)高效的雙向光隧道，將可見(jiàn)光擠壓到聚光器的最頂端，與局部分子相互作用，并發(fā)回信息，這些信息可以解讀和可視化這個(gè)難以捉摸的納米世界。顯微鏡放大物體細節的能力受到光的波長(cháng)限制，如果你曾經(jīng)在科學(xué)課上使用光學(xué)顯微鏡。
你可能會(huì )學(xué)到，一個(gè)物體只能被放大2000倍，然后所有的東西都變得模糊。這是因為無(wú)論你的顯微鏡有多先進(jìn)，都不可能分辨出比光波長(cháng)一半還細的特征——遠場(chǎng)可見(jiàn)光的波長(cháng)只有幾百納米。與遠場(chǎng)波不同，近場(chǎng)波只存在于離光源很近的地方，不受這一規律的控制。但它們不是自愿旅行的，很難利用或觀(guān)察。自20世紀20年代以來(lái)，科學(xué)家們一直認為，讓光通過(guò)金屬薄膜上的小孔會(huì )產(chǎn)生近場(chǎng)波，這些波可以轉換成可探測到的光，但第一個(gè)成功的原型直到半個(gè)世紀后才制造出來(lái)。
（博科園-圖示）這個(gè)可視化動(dòng)畫(huà)顯示了光纖入纖-出纖過(guò)程用于光譜學(xué)測量。圖片：Liu Group/UCR
諾貝爾化學(xué)獎得主埃里克貝齊格(Eric Betzig)在成像性能和可靠性方面對早期原型做出了重大改進(jìn)。從那時(shí)起，近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡，即眾所周知的技術(shù)，被用來(lái)揭示許多化學(xué)、生物和材料系統的納米級細節。不幸的是，又過(guò)了將近半個(gè)世紀，這種技術(shù)仍然很深奧，很少有人使用。通過(guò)一個(gè)比人類(lèi)一根頭發(fā)直徑小1000倍的針孔發(fā)出光可不是件容易的事。只有百萬(wàn)分之一的光子或光粒子能通過(guò)針孔到達你想看到的物體。買(mǎi)一張單程票已經(jīng)很有挑戰性了，一張能帶回有意義信號的往返機票幾乎是白日做夢(mèng)。
科學(xué)家們已經(jīng)做出了不懈的努力來(lái)提高這個(gè)機會(huì )，雖然目前最先進(jìn)的探測器只能讓1000個(gè)光子中的一個(gè)到達目標，但加州大學(xué)河濱分校的設備卻能將一半的光子送到目標尖端。設計的關(guān)鍵是兩步連續聚焦過(guò)程，在第一步中，當遠場(chǎng)光沿著(zhù)逐漸變薄的光纖傳播時(shí)，其波長(cháng)在不改變頻率的情況下緩慢增加。當它與位于光纖頂部的銀納米線(xiàn)中電子密度波的波長(cháng)相匹配時(shí)，嘭！所有的能量都轉移到電子密度波上，并開(kāi)始在納米線(xiàn)的表面移動(dòng)，在聚焦過(guò)程的第二步中，波在尖端逐漸凝聚成幾納米。
進(jìn)行這項研究的博士生桑貢金(Sanggon Kim)解釋說(shuō)：加州大學(xué)河濱分校(UC Riverside)這個(gè)裝置是一根小小的銀針，尖端有光，有點(diǎn)像哈利波特(Harry Potter)的魔杖，能照亮一小塊區域。金姆利用該設備繪制出分子振動(dòng)的頻率，從而可以分析分子中原子間的化學(xué)鍵。這就是所謂的尖端增強拉曼光譜成像。近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡是最具挑戰性的分支，因為它處理非常微弱的信號。它通常需要龐大，百萬(wàn)美元的設備集中光和繁瑣的準備工作，以獲得超分辨率圖像。
有了這個(gè)新裝置，Kim在一個(gè)簡(jiǎn)單的便攜式設備上實(shí)現了1納米的分辨率。這項發(fā)明可能是一個(gè)強大的分析工具，有望向納米科學(xué)各學(xué)科的研究人員揭示一個(gè)新的信息世界。將光纖納米線(xiàn)組件與尖端增強的拉曼光譜和掃描隧道顯微鏡結合起來(lái)，能夠以簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的設置收集高分辨率的化學(xué)圖像，使該工具處于光學(xué)成像和光譜學(xué)的前沿。該研究團隊為這一成就及其對化學(xué)研究的影響感到自豪，更感到鼓舞的是，它在生物和材料研究等廣泛領(lǐng)域的潛在應用，將進(jìn)一步推動(dòng)科學(xué)進(jìn)步。
博科園｜研究/來(lái)自：加州大學(xué)河濱分校
參考期刊《自然光子學(xué)》
DOI: 10.1038/s41566-019-0456-9
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