2008年11月21日
一个多世纪以前，最早的电影技术的发展使以前认为“不可思议”的东西成为现实:捕捉和重现我们周围世界的动态和活力。一项基于新概念的突破性技术现在已经实现了类似的壮举，但是在原子尺度上——它首次实现了实时、真实的空间可视化，显示了尺寸仅为十亿分之一米的物质的结构和形状的短暂变化。
用4-D电子显微镜观察纳米鼓现象。信贷:纳米快报;图片和图表由加州理工学院制作。
11月21日出版的《科学》(Science)杂志上刊登了一篇文章，描述欧洲杯足球竞彩了利用该技术获得的金和石墨材料中原子变化的“电影”。欧洲杯线上买球(4D显微镜视频可以在http://ust.caltech.edu/movie_gallery/上观看。)该方法的概念框架的专利被授予加州理工学院在2006年。
这项被称为四维(4D)电子显微镜的新技术是在超快科学技术物理生物学中心开发的，由加州理工学院化学教授兼物理学教授艾哈迈德·泽维尔(Ahmed Zewail)指导，他是1999年诺贝尔化学奖得主。欧洲杯线上买球
Zewail被授予诺贝尔奖开创性的科学femtochemistry,使用超短激光闪光观察基本化学反应——原子欧洲杯线上买球结合成分子,然后分裂成原子——发生在飞秒的时间尺度,或1000000000秒的1000000。Zewail说，这幅作品“捕捉到了运动中的原子和分子”，类似于19世纪摄影师Eadweard Muybridge拍摄的一匹奔腾的马(这第一次证明了一匹马在奔跑时确实把四只蹄子都抬离了地面)和其他运动物体的定格静止照片。
Zewail说，分子运动的快照“给了我们时间维度，但我们没有空间维度，也就是结构维度。”我们不知道马长什么样。它有一条长尾巴吗?美丽的眼睛吗?从1999年起，我的梦想就是找到一种方法，不仅可以观察时间，还可以观察空间领域;无论是物理物质还是生物物质，随着时间的推移，在原子尺度上看到一个复杂系统的架构。”
科学家们可以使用电子显微镜来观察物体的静态结构，其分辨率超过十亿分之一米。电子显微镜产生的单个电子流将物体散射开来，从而产生图像。在原子尺度上，电子被用来显示最小的物体，因为显微镜使用的辐射源的波长必须比原子之间的空间短。这可以通过电子来实现，特别是通过被加速到令人眩晕的速度的电子——因为电子的波长会随着速度的增加而缩小。
但仅仅有电子不足以捕获原子在空间和时间中的行为;电子必须被小心地分配出来，以便它们在特定的时间间隔到达样品。Zewail和他的同事通过在高分辨率电子显微镜中引入时间的第四维度来实现这一目标，这被称为超快“单电子”成像，其中每个电子轨迹都在时间和空间中被精确控制。
每个电子产生的图像代表了在那个时刻的一飞秒。就像电影中的帧一样，由数百万张这样的图像生成的连续图像可以组合成原子级的数字运动电影。
Zewail和他的同事在《科学》杂志上欧洲杯线上买球发表的论文中称，他们应用了新的4D电子显微镜来观察超薄的金和石墨薄片中原子的行为。铅笔所用的材料石墨，由一层层的碳原子组成，排列成片状。原子在飞秒时间尺度上以一种独特的、相干的方式运动。
然而，研究人员发现，在稍微长一点的皮秒(十亿分之一秒)尺度下，石墨纳米片会产生声波。在这些图像中，他们直接可视化了薄片的弹性运动，并确定了将它们连接在一起的力，这种力由应力-应变特性描述，称为“杨氏模量”。根据这些画面制作的4D电影揭示了空间和时间中的行为。
在最新一期的《纳米快报》(Nano Letters)上发表的第二篇论文中，Zewail和他的同事描述了他们在更长的时间尺度上(高达千分之一秒)对纳米厚石墨膜变化的可视化。研究人员首先用热脉冲冲击样本。加热后的碳原子开始以一种随机的、不同步的方式振动。然而，随着时间的推移，单个原子的振荡变得同步起来，因为材料的不同模式锁定在同一个相位上，形成一种类似心跳的“鼓声”。数字视频减慢了10亿倍以上，展示了这种纳米鼓声的机械现象，它显示了一种清晰的共振，比人类鼓膜能探测到的共振高出近100倍。
Zewail说:“有了4D成像技术，原子尺度的运动(导致结构、形态和纳米力学现象)现在可以直接可视化，而且有希望理解。”Zewail现在正在与加州理工学院的生物学副教授Grant Jensen合作，将研究扩展到细胞内的生物成像。
研究人员目前正在使用4D显微镜来成像细胞的组成部分，如蛋白质和核糖体(制造蛋白质的细胞机制)。他们已经制作了染色老鼠细胞的图像，最近还制作了玻璃体水中的蛋白质晶体和细胞的图像。Zewail说:“我们的目标是通过在生物材料移动或恶化之前拍摄单脉冲快照，提高这些生物材料图像的结构分辨率，并实时跟踪它们的动态。”欧洲杯足球竞彩
剑桥大学(Cambridge University)的约翰·托马斯爵士(Sir John Thomas)是世界著名的电子显微镜专家，他在最近的一篇评论中说，这项发明及其应用是“革命性的”。“物理和生物科学领域的无数探索之门现在已经打开，”托马斯补充道。欧洲杯线上买球
加州理工学院化学与化学工程系主任戴维·蒂勒尔说:“这种技术产生的图像序列是了不起的。”“它们不仅提供了对分子和材料行为的前所未有的见解，而且通过直接观察真实空间和实时的复杂结构变化，以一种特别令人满意的方式做到了这一欧洲杯足球竞彩点。这些实验将引导我们以全新的方式思考分子和材料。”欧洲杯足球竞彩
加州理工学院教务长Edward M. Stolper说:“成像、概念和可视化技术的进步是各种科学和工程领域进步的基础。”“加州理工学院已经承诺在许多物理和生物学科中发挥领导作用，在这些学科中，成像发挥了关键作用。艾哈迈德的开创性工作是开拓科学技术的新前沿。”欧洲杯线上买球