科学家首次实现液态环境四维电子显微成像

液态环境四维电子显微镜超高时空分辨成像示意图

2月3日，美国《科学》杂志（Science）网上在线发表了以付学文博士为第一作者、美国加州理工学院诺贝尔化学奖获得者泽维尔（Ahmed H. Zewail）教授领导的物理生物超快科学研究中心关于液体环境中四维电子显微成像技术的最新研究成果：液态环境中纳米空间尺度和纳秒时间尺度下的动态成像。

在超高空间和时间分辨率下探索和研究物质的属性及其内部复杂的瞬态过程和动力学行为，是理解化学、生物、物理以及材料科学中众多基本现象的关键，也是科学家们一直追求的目标。当今高分辨电子显微镜为人类认识微观世界提供了一个重要得手段，但是仅局限于静态或较低时间分辨率的空间成像。美国加州理工学院的Zewail教授一直致力于超快科学的发展与技术研究。早在1999年Zewail教授因其开创性的飞秒化学研究而获得诺贝尔化学奖，之后他带领团队进一步发展出了基于超快激光的超高时间分辨电子显微镜技术也称为四维电子显微技术，为超高时空分辨下研究物质的瞬态过程和动力学行为奠定了基础，成为近年来快速发展的一个新兴领域。

在此项新工作中，Zewail教授团队进一步突破技术难关，首次实现了对液态环境中物质的瞬态过程和动力学行的高时空分辨四维成像，也就是液态四维电子显微技术。此项工作由來自中国大陆的付学文博士、陈斌博士、来自台湾的湯朝暉博士以及来自埃及的Hassan博士和Zewail教授等共同合作完成。他们利用先进的纳米加工技术设计制备了一种可以在高真空环境下维持液体环境并对电子束和激光束都透明的超薄液态样品池器件（liquid cell），然后将此器件集成到该团队近年来发展出来的四维透射电子显微镜中，研究了分散在水溶液中的纳米金颗粒在飞秒（10-15秒）激光脉冲作用下的能量转换和动力学行为。通过利用单发电子脉冲成像技术，他们成功地在纳秒（10-9秒）时间尺度和纳米（10-9米）空间尺度下捕捉到了纳米金颗粒在液体中的高速弹道式（ballistic）旋转动态过程，并揭示了液体中纳米金颗粒在飞秒激光脉冲作用下高速弹道式旋转的动力学机制以及周围液体的流体力学特性。他们通过研究发现纳米金颗粒这种高速弹道式旋转的动力来源于纳米金颗粒的高强光热作用诱导其表面产生的极小纳米气泡。进一步的研究发现，纳米金颗粒的形貌非对称性对其旋转动力学行为具有重要的影响。随着纳米金颗粒的形貌非对称性增加，在较长的时间尺度上纳米金颗粒从传统的扩散型（diffusive diffusion）旋转变换到超扩散型（superdiffusive diffusion）旋转，并最终转变为弹道式（ballistic）旋转。该研究对于了解微观物质在液体中的复杂非线性动力学行为和流体分子动力学特性具有十分重要的意义。

该项研究发展出的液态四维电子显微镜技术将为化学、物理学、生命科学和材料学等众多学科中的液态环境下动力学过程研究提供新的思路和技术手段。例如在光催化、化学电池、光合作用、污水处理、水环境的微生物系统、蛋白分子的相互作用、药物输送和生物细胞代谢活动等动力学过程研究领域将会有广泛的应用前景。（来源：科学网）

作者简介

付学文，男，2009年本科毕业于北京师范大学物理系物理学专业，2014年获得北京大学凝聚态物理专业博士学位。博士毕业之后作为博士后加入美国加州理工学院Zewail教授课题组从事四维超快电子显微镜方面的研究。长期从事纳米材料物理化学性质及结构，载流子和激子动力学方面的研究，尤其是基于四维超快电子显微镜和超快光谱学研究纳米材料中的超快动力学现象。目前已经发表学术论文25篇，其中以第一作者在Science，Advanced Materials，ACS Nano，Nanoscale和Applied Physics Letters等国际期刊发表学术论文13篇。

陈斌，男，2003年本科毕业于武汉理工大学材料科学与工程专业, 2006年获得清华大学硕士学位, 2009年获得日本筑波大学博士学位。现在在美国加州理工学院做博士后，方向为4维超快电镜。长期从事材料与器件（超快）动力学方面的工作研究。这些年来，在对半导体材料的系统研究中，掌握了空间分辨率最高到原子级别、时间分辨率最高到皮秒乃至飞秒的相关关键性技术。取得的主要成绩如下：发表论文35篇，其中以第一作者在Nano Letters，Acta Materialia, Physical Review B和Applied Physics Letters等国际期刊上发表文章20篇，通讯作者文章11篇。受邀在Elsevier出版社出版的《Comprehensive Semiconductor Science and Technology》专著中合著一章节。