科學家首次測定出移動單個原子所需的力
2008-02-22 來源：中國聚合物網
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據國外媒體報道，原子是化學變化中的最小微粒，輕輕推動一個原子究竟需要多少力，長期以來一直是一個謎。但美國國際商用機器公司(IBM)的科學家近日稱，經過精確地測算，他們得知在平滑的白金表面上推動一個鈷原子，大約需要210皮牛的力（1皮牛=10-12牛，1牛大致相當于100克物體的重量）。
在22日出版的最新一期《自然》雜志上，IBM的科學家們公布了他們的這項最新成果。這一基礎性研究成果有望為未來設計出原子尺度的計算機芯片等設備提供幫助。
IBM科學家安德瑞斯-J-亨瑞克稱，通過長期而且精確地計算，科學家們得知，當在平滑的白金表面上輕輕推動一個鈷原子時，所需要的力大約為210皮牛，而如果是在光滑的銅表面上推動一個鈷原子，則所用的力會更少，僅僅只需要17皮牛。安德瑞斯-J-亨瑞克說，“精確地計算出推動單個原子所需要的力，將有助于人類最終了解究竟哪些事情是完全可以實現的，而哪些又是根本不可能實現的。對于整個人類來說，這是非常重要的一步，但目前取得的這一成績絕對不是我們的終極目標。”
在實驗中，亨瑞克和他的合作者們利用最先進的原子顯微鏡協助進行觀測。科學家們用原子顯微鏡尖銳的探針來輕輕推動單個原子，為更加方便地測出所需要的力，他們又給這個尖銳的探針綁上了一個微小的音叉上。這種微小的音叉常用于制造石英手表。事實上，在最初進行此類實驗時，科學家們就是購買了一只價格并不昂貴的石英手表，并將這只手表的音叉取出來作為替代使用。通過測算，當原子顯微鏡上的尖銳探針與單個的鈷原子接觸時，音叉每秒鐘的震動頻率為2萬次，當探針開始推動鈷原子時，音叉就開始逐漸發生彎曲，就像是跳水運動員使用的跳板一樣，這時音叉的震動頻率也開始劇降。通過計算音叉震動頻率的變化，科學家們最終精確地測算出推動單個原子移動所需要的力。
安德瑞斯-J-亨瑞克表示，事實上，即使是再光滑的金屬和物體表面，也不可能是真正的絕對光滑，因此單個原子根本不可能會發生滾動。單個的原子就好象是被放在一個一個的小格子里，有些類似于雞蛋被分開放在不同的小紙箱里一樣。當原子顯微鏡的尖銳探針用力推動時，鈷原子就會發生跳動，可以在瞬間從一個“小格子”跳到另一個“小格子”里，而且它跳動的速度甚至遠遠超過人類目前的觀測能力。在實驗中，由于銅的表面比白金表面摩擦力相對要小，因此在銅表面上移動單個鈷原子所需的力也就更少。
為獲得單個的原子，科學家們在一真空室內設置了一個“陷阱”，它們將6條激光束聚焦在一個點上，然后注入氣態銫。當一個原子進入激光束，便拍攝一張照片，需拍攝上百萬張照片。每當一個原子進入陷阱，科學家便用光學鉗即兩條激光束將其抓住。這兩條光與上述用6條激光束組成的光陷阱不同，因為作為光學鉗的兩條激光束的光子不僅作為微型球通過這一區域，在球內還有一電場，靠電場的力抓住單個原子。但激光的抓力太弱，為提高抓力，科學家將激光束聚焦到1/30毫米的一個點上，這樣就可以準確地在該點上抓住原子。1990年，IBM兩位科學家用顯微鏡探針移動了吸附在金屬鎳表面上的氙原子，他們經過22小時的操作，把35個氙原子排成了“IBM”的字樣。這幾個字母高度約是一般印刷用字母的二百萬分之一，原子間間距只有1.3納米左右。這是人類有目的、有規律地移動和排布單個原子的開端。
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