实现费曼梦想　清大成功解析纳米颗粒3D原子结构

传奇物理学家费曼在他最知名的一场演讲中曾说:“若是我们能够观察到原子在三维空间上的位置，那么再复杂的化学物质分析也将变得非常简单。”如今，国立清华大学特聘教授陈福荣携手国际科学家，实现了费曼大师的梦想，成功解析纳米颗粒的3D原子结构。

纳米科技之父费曼1959年发表知名演讲“底层还有大空间”，这也成为纳米科技界的名言。就是在这场演讲中，他提出了想看到纳米颗粒3D原子结构的“梦想”。

但是要达到费曼的梦想，基本上需跨越两个很重要的障碍。其一是现在最先进的电子显微镜分辨率虽足够得到原子等级分辨率影像，但是只有2D投影结构，沿着电子束投影方向的原子的数目和结构全隐藏在投影的影像中，“就像拍照一样，你只能看到有一排人，看不到他们之间前后距离有多远。”陈福荣解释。第二个障碍是电子辐射损伤会在影像拍摄过程中改变纳米材料的结构，甚至产生破坏。

清华教授陈福荣和美国劳伦兹国家实验室电子显微镜中心Christian Kisielowski教授，以及比利时安特卫普大学Dirk Van Dyck教授合作利用低剂量的电子显微术，在不破坏纳米材料的条件下，重构出纳米颗粒的3D影像，并且发展全新3D电子显微理论。

陈福荣说，研究团队以几近0.1纳米的准确度萃取出纳米颗粒表面的原子分辨形貌，及沿着电子束投影方向定量计数有多少原子，以单一原子准确度定量纳米颗粒的厚度。

这项突破*的研究成果，发表在上个月的“自然通讯”(Nature Communications)期刊，文章中展示了纳米锗晶、纳米金桥及纳米氧化镁颗粒的原子3D断层结构。

在这项国际合作中，无论在电子显微镜技术及理论上都有创新的突破。陈福荣说，在实验方面，研究团队发展利用低剂量的电子显微术，在不破坏纳米材料的条件下，拍摄多张聚焦在不同焦平面的影像、以看出前后位置的原子结构；在理论上，由这一系列影像重构出高讯号、低杂讯的3D影像，再利用3D影像电子波的传递，量测纳米颗粒表面原子的位置。由此，可以决定原子分辨率的表面形貌，准确度高于0.1纳米。

陈福荣指出，从3D影像可以计数出投影方向的原子数目，纳米颗粒在电子束方向厚度的量测可以定量准确到一个原子。借由表面形貌及准确计数原子个数，纳米颗粒的3D空间形状就可以在原子分辨率的**下重建，完成费曼的梦想。