如果能有影片呈現細胞的內部運作，或是顯示奈米機器運轉的方式，科學家會多興奮！而新的顯微技術即將讓這些目標成真。
■四維（4D）電子顯微技術可拍攝到尺寸為奈米、持續時間短至數飛秒（10-15秒）過程中的「影片」。
■這項技術是以在精確控制的時間下拍攝的數千張個別相片，再組合成一格畫面。
■這種技術的應用領域相當廣泛，包括材料科學、奈米科技和醫學等。
人類的視力有其極限，我們看不見比人類頭髮（直徑小於1毫米）細很多的東西，也無法分辨速度比眼睛眨動（1/10秒）還快的動作。當然，近1000年來，光學和顯微鏡技術的長足進步，讓我們得以大大超越肉眼視力的極限，看到極為細微的影像，例如病毒的顯微影像；或是子彈打穿燈泡那千分之一秒的頻閃相片。但是如果看見呈現原子樣貌的影片，通常我們可以斷定這應該是動畫、藝術家的想像圖，或是某種模擬畫面。
近10年來，我在美國加州理工學院的研究團隊開發出新的顯微技術，可顯示原子尺度、時間短至1飛秒（10-15秒）的運動。由於這項技術可同時拍攝到時間和空間，而且是以普及的電子顯微鏡為基礎，因此我將這項技術稱為四維（4D）電子顯微技術。我們以這種技術拍攝了許多現象，包括數奈米長懸臂的振動、石墨中碳原子層在受到雷射脈衝「敲擊」後的振動，以及物質的狀態改變等。另外，我們也拍攝了蛋白質和細胞的影像。
4D電子顯微技術將可解答從材料科學到生物學等許多領域的問題，包括從原子到巨觀尺度徹底了解材料的特性、奈米和微米機電系統（NEMS和MEMS）如何運作，以及蛋白質或生物分子組合如何摺疊並變成更大的結構，這是各種活細胞運作的重要過程。另外，4D電子顯微技術還可顯示奈米結構中原子的排列方式（原子排列方式可決定新奈米材料的特性），如果時間長度可短至阿秒（10-18秒），或許還能追蹤電子在原子和分子內的移動。除了用於研究基礎科學之外，其他用途也相當廣泛，包括設計奈米機器和新型藥物等。
一切從貓咪開始
4D顯微技術這種尖端科技，雖然是以先進的雷射裝置和量子物理為基礎，但許多運作原理可由科學家100多年前開發的停格動畫攝影術加以說明。其中最重要的是1890年代法蘭西學院教授馬雷（尒ienne-Jules Marey）研究快速運動時，在移動的物體和攝影感光片（或感光條）之間，放置有狹縫的旋轉圓盤，產生類似現代動畫拍攝方式的連續曝光影像。
在其他研究中，馬雷研究貓落下時如何自己將身體回正，因此能以四腳著地。在沒有東西可以依靠的狀況下，貓如何憑藉本能完成這樣的特技而不違反牛頓運動定律？貓落下和腿部揮動的總時間不到一秒鐘，如果沒有其他輔助方式，人類沒辦法看清楚整個過程。馬雷的停格快速攝影揭露了答案。貓是讓身體的前半部和後半部朝相反方向旋轉，同時先伸長腿部再縮回。高空跳傘員、舞者和太空人也必須學習類似的動作，讓身體旋轉。
另外一種頻閃攝影技術，則是以短暫的閃光捕捉發生時間極短、難以用機械快門捕捉的事件。閃光可讓偵測裝置（例如人眼或底片）暫時看見在黑暗中移動的物體。20世紀中葉，美國麻省理工學院的艾傑頓（Harold Edgerton）開發出的電子裝置，可重複產生穩定且持續僅數微秒的閃光，為頻閃攝影技術帶來大幅進步。
貓落下實驗則需要夠短的快門時間或頻閃閃光，才能將正在動作中的動物清楚地拍攝下來。假設貓被放下之後0.5秒內可將身體回正，那一瞬間貓的落下速度為每秒5公尺，如果使用持續1毫秒的閃光，貓在每次曝光之際落下的距離不會超過5毫米，因運動而造成的影像模糊不會很明顯；如果要將整個過程拍成10個畫面，必須每隔50毫秒拍攝一張相片。
如果我們想觀察的不是貓而是分子，頻閃閃光應該要有多短？分子或材料結構內的許多變化可以歸因於原子移動了數埃（1埃等於10–10公尺）。要清楚呈現這類運動，空間解析度必須小於1埃。在這類變化中，原子通常以每秒1000公尺的高速移動，頻閃閃光必須短於10飛秒，影像解析度才可小於0.1埃。在1980年代，研究人員就曾使用飛秒雷射脈衝測量原子移動相關的化學程序，但是沒有拍攝原子在空間中的位置，因為可見光的波長是分子或材料中原子間距的數百倍。
高速電子很早就用來呈現原子尺度的影像（例如在電子顯微鏡中），但目標物必須固定不動，同時拍攝必須持續數微秒之久，依相機速度而定。因此，我們想拍攝的原子尺度影片必須具備電子顯微鏡的空間解析度，同時還要有飛秒等級的電子脈衝，才能「照亮」目標。這種照亮目標的電子團稱為「探測脈衝」（probe pulse）。
還有一個問題是動作的計時，也就是取得動作開始的確定時間點。如果所有探測脈衝都是在動作開始之前或結束之後才拍攝，當然不可能拍到可用的影像。拍攝貓的動作時，機器通常是從釋放貓咪的那一瞬間開始動作；以超高速拍攝時，則得使用稱為計時脈衝（clocking pulse）的飛秒起始脈衝觸發對材料或程序的探測過程。
即使探測脈衝和計時都在掌握之中，另外還有同步問題存在。典型的超高速實驗在這方面和貓落下實驗有相當大的差異。如果一切都依照計畫順利進行，馬雷只需拋下一隻貓咪，而且只需一次就可完成實驗。即使連續曝光的起始點比釋放貓咪略慢，比如說差距5、10或17微秒，其實沒有什麼差別。但是，超高速顯微技術可能需要在每次計時脈衝中，探測數百萬個原子或分子，或是重複實驗數千次再組合成完整影像。想像一下，如果馬雷每次放下貓咪時，只能拍攝整個畫面中的一長條垂直部份，他會怎麼做？為了將一連串部份畫面組合成完整的貓落下相片，他必須重複進行實驗，每次拍下位置略有差異的長條垂直畫面。要將這麼多長條畫面正確組合成有意義的完整影像，必須每次都以相同的初始狀態拋下貓，並且每次都仔細讓釋放動作和快門開啟以相同的方式同步運作（這項技術還有一個條件，就是貓的動作必須每次都相同，我想在這方面，分子應該會比貓穩定一點）。
初始狀態的長度精確性必須達到貓體型的數分之一，時間同步的精確性則必須小於快門開啟的時間。同樣的，在原子或分子的超高速攝影中，初始狀態的解析度必須低於1埃，計時和探測脈衝彼此時間差的精確度則必須低於飛秒。探測脈衝相對於計時脈衝的時間調整，是沿著一條長度可調整的路徑，送出兩種脈衝的其中之一所得到的（以距離差距造成時間的差距）。對於以光速行進的脈衝而言，要以1微米的精確度來設定路徑長度，對計時而言，相當於3.3飛秒的精確度。
我們還有一個基本問題必須克服，才能以電子拍攝影片。電子和光子不同，電子帶電而彼此互相推斥，將許多電子擠壓成脈衝，會破壞時間和空間解析度，因為電子的斥力會使脈衝分崩離析。1980年代，德國柏林科技大學的波斯坦喬格羅（Oleg Bostanjoglo）以僅有一億個電子的脈衝拍攝影像，但解析度不超過奈秒和微米（美國勞倫斯利佛摩國家實驗室的研究人員後來大幅改良到次微米等級）。
我的研究團則隊運用先前的超高速電子繞射研究成果，開發出單一電子攝影技術，完成了這個挑戰。每個探測脈衝僅有一個電子，在拍成的影片中只會形成一個小光點。但由於每個脈衝的計時都相當精準，同時具有「同調性」，因此許多光點可以組合成完整的物體影像。同調性會造成一項代表量子力學怪異性的現象：一個電子同時穿過兩個狹縫，然後在偵測螢幕上的任意位置形成單一光點，但是所有光點組合成干涉波特有的明暗條紋圖形，是可以預測的。
單一電子成像是4D超高速電子顯微鏡（UEM）的重要關鍵。現在我們已能拍攝分子和材料對各種狀況的反應，就好像許多驚慌失措的貓在空中扭動。
【撰文／齊威爾（Ahmed H. Zewail）；翻譯／甘錫安】
【完整內容請見《科學人》2010年第103期9月號】
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