这种以同位素提纯硼为原材料的下一代光学镜头，会不会也是诺贝尔奖水平的重大成果？ 想象一下，你眼前有一个无比强大的 光学镜头 ，透过它你能看见一只正在 活细胞 表面趴着的小病毒——大胆一点，这不是想象，这种镜头已经快被制造出来了！ 范德堡大学（Vanderbilt University）机械工程学Joshua Caldwell副教授团队12月11日在著名学术期刊《Nature Materials》发表文章，报道了这项不大不小的“奇迹”。 安东尼•列文虎克（Antony van Leeuwenhoek）试验玻璃、宝石和钻石等各种透光材料，终于磨制出能将物质放大近300倍的透镜。 从此之后，人类开启了极微小世界的观察之旅，点亮了浩若繁星的生命科学新发现。 在这篇文章中， 研究人员改进了一种天然晶体光学材料，六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）。此前利用hBN分辨物体的最小分辨率大约比红外显微镜小36倍，差不多是小型细菌的尺寸（约0.5-1微米）。新文章报道，改进后晶体的潜在成像能力比之前最高水平大约提高了10倍！ 典型的商用红外显微镜的设置（左）和 Cassegrain 反射物镜图解（右）以及红外显微镜的中心元件 “我们证明，透镜（hyperlenses）的固有成像效率限制可以通过 同位素 工程改造加以克服，”项目组成员、美国海军研究实验室的物理学家Alexander Giles说。“在纳米尺度操纵和聚焦光线，其困难程度绝对超乎想象，几乎不可能实现。但是，通过这项研究，我们发现同位素改造竟能提高材料和器件性能。” 多年来，科学家们开发出了 许多仪器都具有纳米级分辨率成像能力，例如电子显微镜和原子力显微镜。但是，它们与活生物体并不相容，样品需暴露于有害辐射以及各种致命条件处理（如冷冻干燥等），而且需要在高真空条件下作业。 透镜技术与上述这些高分辨率显微术不同，只需要将样品暴露在低能光线（如 红外光 ）覆盖得到的自然条件下，就能提供非常详细的活细胞图像。 长期以来，光学显微镜的分辨率被认为不会超过光波波长的一半，这被称为“阿贝分辨率”。如果实验中使用红外线，则“衍射极限”大概在3250纳米。 此前，科学家们发现hBN能支持由光子和振动耦合光子组成的混合粒子“表面声子极化激元（surface phonon polaritons）”，因此晶体内的带电原子的实际波长比入射波长要短得多。但是，实验发现这样利用极化声子存在一个问题，它们消散速度太快。 在这项最新研究中，研究人员选用同位素分离的提纯硼制作hBN晶体。天然硼有两种同位素，二者质量相差约10%，虽然不易察觉，但细心比较后研究人员发现，混合了两种硼的晶体材料的光学特性显著下降。 通过计算，研究人员预测用纯硼制备的晶体透镜原则上能捕捉到 30纳米 尺寸的物体图像。一根头发直径约 8万-10万纳米 ，人血红细胞约 9千纳米 ，已知病毒约 20至400纳米 。如果计算正确，这意味着只需透过一块目镜，人类将能直接观察到小如病毒的物质活动！ 为了证实推测，研究人员目前已经制备了一小片由纯同位素硼（纯度99%）打造的hBN晶体，相比天然晶体，该晶体的光学损失明显下降，意想不到的是极化声子寿命也提高了3倍，分辨率也得到显著改善。“我们现在用的是提纯hBN的小碎片，等我们做出更大的晶体后，相信结果还会更好，”Caldwell说。 距离列文虎克手工制造了第一台显微镜363年后的今天，科学家们成功将超透镜发展提高到了一个崭新水平。九泉之下的列文•虎克若能知道这个消息，一定也会露出欣慰的笑容。 2014年的诺贝尔化学奖在10月8日宣布授予美国科学家埃里克•白兹格（Eric Betzig）、威廉姆•莫纳尔（William Moerner）和德国科学家施泰方•海尔（Stefan Hell），以表彰他们在 超高分辨率 荧光显微技术领域的贡献。这种以同位素提纯硼为原材料的下一代光学镜头，会不会也是诺贝尔奖水平的重大成果呢？ Ultra-low-loss Polaritons in Isotopically Pure Materials: A New Approach Abstract： Conventional optical components are limited to size-scales much larger than the wavelength of light, as changes in the amplitude, phase and polarization of the electromagnetic fields are accrued gradually along an optical path. However, advances in nanophotonics have produced ultra-thin, co-called flat optical components that beget abrupt changes in these properties over distances significantly shorter than the free space wavelength. While high optical losses still plague many approaches, phonon polariton (PhP) materials have demonstrated long lifetimes for sub-diffractional modes in comparison to plasmon-polariton-based nanophotonics. We experimentally observe a three-fold improvement in polariton lifetime through isotopic enrichment of hexagonal boron nitride (hBN). Commensurate increases in the polariton propagation length are demonstrated via direct imaging of polaritonic standing waves by means of infrared nano-optics. Our results provide the foundation for a materials-growth-directed approach towards realizing the loss control necessary for the development of PhP-based nanophotonic devices. 研论文插图 数据处理 图表制作学习班开始报名了 由上海玮瑜生物科技有限公司主办 由来自中科院的金老师授课 需要学习SCI图表制作的朋友 可以咨询谢老师报名 手机电话 17317557680 还等什么 机不可失 助你成功发表SCI论文 欢迎拨打电话（亦微信号）垂询！ 免责声明：本文中的部分信息援引自网络。本公众号发布的图文一切仅为分享交流，并不代表本公众号的观点。所有援引自网络的部分，其版权归原作者、原公众号或原网站所有，如有涉及版权敬请及时告诉我们，定将及时删除或妥善处理。 欢迎扫小编二维码 合作、投放广告等请扫上方二维码与小编联系，依托强大的生科粉丝群（目前接近8000+），提供最优质的满意服务！
普通光学显微镜的分辨率极限只有 ~200 nm ，在应用方面显得越来越不足。为了突破这一限制，发展了单微发光体光学超分辨成像技术，其原理是通过精确地得到众多单个微小发光体（如单个荧光分子）的位置来进行成像，分辨率约几十 nm ，甚至可小于 1 nm 。当有荧光分子参与催化反应的时候，即可采用该技术研究催化活性在纳米粒子上的分布，以及动力学相关的问题。目前，该技术已经在金属纳米粒子的催化、分子筛催化、光催化等领域得到应用，且已经展现出优越的特性。 相关文献： http://www.mscatalysis.net/ 10. X. Zhou , E. Choudhary, N. M. Andoy, N. Zou, P. Chen, “Scalable Parallel Screening of Catalyst Activity at the Single-Particle Level and Sub-diffraction Resolution”, ACS Catalysis , 2013 , 3, 1448-1453. 9. Xiaochun Zhou, Nesha May Andoy, Guokun Liu, Eric Choudhary, Kyu-Sung Han, Hao Shen, Peng Chen, Quantitative Super-resolution Imaging Uncovers Reactivity Patterns on Single Nanocatalysts, Nature Nanotechnology , 2012 , 7, 237-241. 8. N. M. Andoy, X. Zhou , E. Choudary, H. Shen and P. Chen, Single-Molecule Catalysis Mapping Quantifies Site-specific Activity and Uncovers Radial Activity Gradient on Single 2D Nanocrystals, Journal of the American Chemical Society , 2013 , 135, 1845-1852
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