【2015台積電盃-青年尬科學 北區說明會演講側寫】高甫仁教授分享『光與奈米─從光學顯微到顯”奈”鏡』

演講側寫
講題:光與奈米─從光學顯微到顯”奈”鏡 (投影片下載)
講師:陽明大學生醫光電工程研究所高甫仁教授兼中華民國物理學會理事長
側寫:郭毓璞

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“Let there be a Year of Light”

今年是聯合國國際文教組織所訂定的國際光之年,其中也包含光污染防治和永續發展等面向,高教授在演講的一開始即強調「好的科技不一定會有好的社會關係,許多高科技也往往造成國家與環境的破壞。」

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故事從一千年前的伊拉克開始,在這個富裕而充滿創新的文化中心,海什木(Ibn al-Haytham)造出第一個光學鏡片中國的墨子更早在兩千年前就於《墨經》中提出光學八條,和海什木一樣用鏡子去解釋幾何光學,並都做出針孔照相機。光學鏡片和理論經過十字軍東征和文藝復興,終於在歐洲發揚光大,各國學者陸續改進顯微鏡技術,荷蘭的詹森(Janssen, 兒子)當初為了要製作偽幣,需要放大鏡來刻版,從而提升了顯微鏡技術,讓人哭笑不得;荷蘭的盧文霍克(Leeuwenhoek)發展出最早期的單鏡片顯微鏡。

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鏡頭來到十九世紀的德國耶拿,在這個小鎮裡出了三位影響光學顯微鏡進展的重要人物:卡爾‧蔡司(Carl Zeiss)、恩斯特‧阿貝(Ernst Abbe)以及奧托‧肖特(Otto Schott)。蔡司是個白手起家的玻璃工廠老闆,和通才型教授阿貝是莫逆之交,製造鏡頭時有問題常去求教,甚至在蔡司過世之後還把公司交給阿貝經營。阿貝更展現傑出的經營能力,讓蔡斯公司從地方企業變成跨國公司,直到現在耶拿的蔡司總部門口放的就是阿貝的雕像。科學領域方面,阿貝提出”繞射極限”,指出光學顯微鏡看不到比光波波長更小的物件,幾乎為光學顯微鏡的發展蓋棺論定。肖特則有系統的分類玻璃,提出是材質成份影響一片鏡頭的好壞(色差)而非加工的能力。

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由於阿貝提出的繞射極限,二次大戰之前物理學家已經放棄光學顯微鏡,改往電子顯微鏡發展,直到1960年代才所有變化。MIT的人工智慧實驗室創始人之一的閔斯基(Marvin Minsky)為光學顯微鏡進行了改良,他所設計的共軛焦顯微鏡透過增加一個針孔把非焦平面的光給擋住,可以清晰的看到各斷面,再重新組成立體圖形,觀察細胞不用再切片,也就是大家所熟悉的解剖顯微鏡。奇妙的是早在1942年日本的科學家小穴純即提出過類似的結構,惜是發表在日文期刊上,沒有產生如閔斯基一樣大的影響力。在後續眾多科學家的努力之下,並結合電磁波理論,讓共軛焦顯微鏡理論有更深入的發展,使得科學家終於能夠用”光學”顯微鏡看到”奈米”級結構!

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奈米相關的科學與技術涵括了微米到奈米的尺度,包含自然存在(如細胞胞器、DNA)和人為的結構(微機電、奈米碳管等)。即使是改良後的共軛焦顯微鏡,1-100奈米仍是無法觸及的領域,但貝齊格、海爾以及莫納(Eric Betzig, Stefan W. Hell & William E. Moerner)提出的各種超解析顯微鏡,成功看到數十奈米的領域,讓他們一起榮獲了2014年的諾貝爾化學獎。在這三位研究者中以貝齊格的故事最為傳奇,他原先在貝爾實驗室當研究員,被裁撤後回到自家公司當工程師離開學術界,做了幾年以後因導致公司虧損而辭職,自嘲四十歲還一事無成,在人生的谷底僅用五萬美金就和朋友在車庫內完成了超解析顯微鏡,可說是成就非凡境遇也非凡。

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超解析度顯微鏡究竟是怎麼辦到的呢?由於目前所知”光子”根本沒有大小,所以應該沒有”光波”產生的解析度極限,繞射極限會產生是因為一次看太多分子,若一次只讓一個分子發光並定位就可以突破;例如古斯塔弗森(Mats Gustafsson) 用網狀構造一次看一點,再用數學模式把他組裝起來。諾貝爾獎得主海爾則是先讓所有分子都發出螢光,再把要觀察的分子周圍的光遮蓋掉,從而提高解析度等等。

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光學顯微鏡的發展就像google地圖的進化,從平面地圖變成3D、動態,綜觀這段歷史,真正的大幅進步就是在科學家勇於去挑戰百年來沒人想過要挑戰的”阿貝繞射極限”,並發現看得越少解析度越高的技術,高老師最後也提到接下來將面臨的將是資料儲存以及處理的課題,想必當科學家再度突破這些難題的時候,我們對微觀世界的認識又可以再更進一步!

參考資料:2014年諾貝爾化學獎-如何將光學顯微鏡變成奈米顯微鏡
高甫仁教授《光與奈米─從光學顯微到顯”奈”鏡》投影片

文章分類 2015青年尬科學, 最新消息, 競賽側寫.