Ruska的显微镜

一位以前的学生最近提醒我看了一段精彩的视频。颗粒状序列显示了一个碳纳米管内部突然出现了一个正方形的点阵列，这些点在热运动的冲击下跳舞，并逐行稳定地增长，填满了管。这是一个非凡的观察-氯化钠晶体的成核和生长以原子分辨率成像，使用透射电子显微镜成像，这是20世纪真正变革的工具之一。

本世纪初，科学家们发现了物质的离散的、看似颗粒的本质，其中一切都是由离散的积木组成的——原子核、电子、质子和中子——其中许多都可以通过电场和磁场发生偏转。其中，约翰·威廉·希托夫和克里斯蒂安·伯克兰发现，圆形线圈可以将电子束聚焦到一个尖锐的点上。

随着阴极射线管开始被开发用于显示屏幕的应用，工作加强了。物理学家汉斯·布施(Hans Busch)在这样的圆柱形磁场下计算了电子束中的电子轨迹。其结果是构造凸透镜的电子等价物的配方。他证明了改变电流会改变透镜的焦距。尽管他的论文标志着今天我们所说的电子光学的开始，但他的计算与他十多年前的实验一致，可能导致布希没有进一步研究这项工作。

然而，一个名叫恩斯特·鲁斯卡的年轻人接下了这份工作。鲁斯卡违背了他父亲想让他成为一名物理学家的愿望，转而学习电气工程。1928年夏天，他在德国柏林工业大学的一位教授提到，他正在组建一个研究小组，开发一种阴极射线示波器，以对快速电气过程进行成像。鲁斯卡立刻自告奋勇。

起初，鲁斯卡被分配了一些真空问题来研究，但当他明显更喜欢数学时，他就被转移到解开布施计算的挑战上。鲁斯卡用电子枪和合适的线圈做了一个装置，开始发现布希的理论实际上相当不错。在尝试了各种线圈设计后，他添加了一个柔软的铁芯，发现他可以在比以前低得多的电流下获得良好的对焦。他还获得了一些有趣的阳极图像，这引起了组长Max Knoll的兴趣。他们一起开始探索不同的电极设计，包括各种静电透镜，结果令人失望。鲁斯卡转而专注于磁性透镜的研究，以及用它们来记录放大图像的想法，就像在光学显微镜中一样。通过类比，他开始将透镜串联起来，并于1931年以17.4倍的放大倍率获得了金属网格图像。

就在那个夏天，鲁斯卡意识到路易斯·德布罗意的波粒二象性理论。起初他还持怀疑态度，但后来他逐渐明白，这意味着电子的波长会限制他的设备的分辨率恩斯特阿贝在半个世纪前就预言了光学显微镜。一些快速的计算使他相信了惊人的含义:如果这些“物质波”能够被利用，图像的分辨率将是无与伦比的。他和Knoll估计，最终的极限大约是2Å。

鲁斯卡开玩笑说，这是德国政府资助的最便宜的电子显微镜

在他的哥哥赫尔穆特的推动下，鲁斯卡修改了他的设计。赫尔穆特是一名生物学家，刚刚完成他的医学学位。他的问题是资金。他已经有一段时间没有工资了，由家人供养。最终，马克斯·冯·劳埃为他争取到了6个月的资金——每月100德国马克，以支付津贴和费用。其结果是一种设计类似幻灯机的新型显微镜。一束电子束聚焦在一个舞台上，舞台上的物体正在接受检查，然后电子束被投射到一个发光的屏幕上。该设计的放大倍数为12000倍。鲁斯卡后来开玩笑说，这是德国政府资助的最便宜的电子显微镜。

在接下来的三年里，鲁斯卡努力说服其他人把他的原型机变成一种商业乐器。他建议西门子和蔡司在这方面进行合作，这两家公司似乎是专业知识的完美结合。当这个计划失败后，鲁斯卡与他的兄弟密切合作，他的兄弟对更详细地了解生物学的前景着迷。今天，有十几家透射电子显微镜制造商，许多大学的各个部门都有电子显微镜，从昆虫和陶器到微生物和纳米结构，无所不有。

看到结晶的视频，我仍然处于一种尚未解决的情绪状态叠加中。时间流逝，我们的皮肤起皱纹，学生越来越年轻，乐器来来去去。但一个惊人的观察所带来的兴奋永远不会消退。