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积木搭建出“纳米级”显微镜

来源:北京晚报 2013-9-17 张航

  以高精密著称的原子力电子显微镜,放大倍数高达数十万倍,但是每台造价也高达10万元以上,难以进入普通中学的课堂。但在日前结束的清华大学暑期学校中,来自国内外高校的大学生却用积木搭建出纳米级精度的原子力显微镜,成本不到1000元。据了解,这些低成本显微镜今后有望应用于中学课堂。

借助3D打印机 5天搭出显微镜

  这个暑假,在清华大学国际暑期学校,来自牛津大学、伦敦大学、清华大学、北京大学等国内外高校的30多名大学生,5至7人分成一组,在五天的时间内连续奋战,用积木搭建出一台可以使用的原子力显微镜。整个搭建过程除了使用乐高积木外,学生们还使用基础工业训练中心的3D打印机,打印了一些部件。  

  相对于一些大学的“暑期学校”以游学、放松为主的课程,这个暑期学校挑战项目可谓是“高强度苦行军”,很少有娱乐活动安排,学生需要全方位调动自己的能力,长时间泡在实验室里,在极其有限的时间内完成一架显微镜的制作,这对每个人都是一项艰巨的挑战。   

  在评委到来前,第3组组员张运炎还在抓紧调试他们组制作的原子力显微镜,他毫不掩饰自豪感:“我们设计的装置结构非常巧妙,绝大部分积木,配合少量的金属元件固定就能完成。”这位英国伦敦大学博士二年级的学生今年科研做得不错,导师“特批”了他一个月的假期,他就报名参加了这个活动。“原子力显微镜是非常高科技的东西,我在研究中经常会用到它。当我看到这个活动的时候,我想,这么高科技的东西,用积木造出来,不是很有挑战性吗?所以,我就从英国跑回来玩积木了!”

  为什么选择将制造原子能显微镜作为活动的目标?暑期学校的组织者,清华大学微纳米力学研究中心副主任弗朗索瓦教授说:“原子力显微镜在表面科学研究领域是一个非常重要的仪器。一方面,该显微镜十分昂贵,但同时,它的机械结构简单,所以有可能在一周以内,让新手按照这个工作原理制造出来。”

就像盲人“看”到了世界

  近日,记者在清华大学见到了这些显微镜。初一看,还以为就是用一块块小积木搭建出的玩具机器人,高约30厘米。唯一能看出“高科技”的地方就是它们布满了各种线路,“这样的家伙,能看到我们所看不到的东西?”

  搭建的学生告诉记者,不要小看这个略显粗糙的“机器人”,积木块上面安装了高精度的光电二极管、压电陶瓷管等元件。固定装置发射出的激光通过悬臂反射,照射在光电二极管上,随着不同位置的变化,得出不同的反射角度,这些角度数据通过计算机芯片还原,就能得到被观察物体的表面三维形状。

  学生们举了一个形象的例子:盲人了解世界主要就是靠手触摸感知它的表面形状,然后通过大脑形象思维形成对这个物体轮廓的认识。原子力电子显微镜的原理亦是如此。清华大学工业工程系副教授顾学雍说,这次学生用五天时间制作的原子力电子显微镜已经能“看”到纳米级大小的物体,远远超过了一般光学望远镜的观察尺度。

积木显微镜造价省了99%

  作为此次课程的组织者,顾学雍告诉记者,显微镜是高中常见的教学仪器,但一般的光学显微镜放大倍数不高,有时不能满足学生的需求。原子力显微镜造价又很高,平均造价在10万元以上。而积木显微镜的造价不会超过千元,两者相差100倍。这次暑期学校的课程,目的是启发大学生能够面向中学和中学生,设计出他们适用的原子力显微镜,作为课堂教学的道具。   

  值得注意的是,在评选过程中,主办方还特意邀请了包括清华大学附中在内多所中学的8名高中学生作为评委。中学生们看得很仔细,并逐一对大哥哥大姐姐的作品进行了点评。“有些作品操作性不太强,高中生使用桌子经常晃动,应该加上防震措施。”清华附中的高二学生欧阳楚可说。还有一些中学生认为,这些“积木电子显微镜”虽然很便宜,但维护条件很差,长期使用的保养、精确度校准都有问题,“我们总不能用一次就扔了吧?那成本还是很高。”   

  几乎所有中学生都告诉记者,此前他们没有接触过原子力电子显微镜,学校的光学显微镜只能放大数十倍,看看细胞壁、细胞液而已,“这里的大学生哥哥说,他们做的显微镜甚至能看到细胞质中的折叠蛋白、核酸表面结构,这对我们来说就好比发现了新的世界。”

成熟作品将推广到高中

  顾学雍也坦言,由于时间有限,大学生们制作出的积木显微镜只是初具模型,离真正的实用还有不小差距。记者在探访时发现,一些积木显微镜在实际观测的时候还会出现一些小故障,比如有的不能自动探测,有的器件位置不对等。顾学雍透露,课程结束之后,大学生还可以继续修改作品,当作品成熟完善之后,将推广到部分高中学校。   

  顾学雍说,虽然评比结束,但是这个制造1000元以下原子力显微镜的活动会继续下去,中英两国的大学生们继续通过互联网推进这个项目,进一步完善他们的成果。

  此外记者了解到,部分积木显微镜的实践者还将获得海外交流的机会。4位中国大学生和4位英国大学生将获得推选参加明年的一项全球活动。“原子力电子显微镜项目到时候会向全世界发布,让全世界的人们按照我们的设计来制作便宜的原子力显微镜。”弗朗索瓦教授说。而在中学教师看来,这无异于一次新的教学技术革命。

 

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2013-09-18 14:12:58]
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