近期，《自然》雜志上發(fā)表的一項研究，創(chuàng)造了顯微鏡圖像分辨率的吉尼斯世界紀錄，達到0.04納米——大概是普通原子—原子鍵長的三分之一到五分之一，只有頭發(fā)絲直徑的二百五十萬分之一（相當于一只螞蟻的長度和珠穆朗瑪峰高度的比值）。如此高的分辨率是如何實現(xiàn)的，對我們認識復(fù)雜的微觀物質(zhì)世界有什么影響？陳震和姜毅是該項工作的主要參與者，他們將講述這項世界紀錄的誕生，以及該方法的應(yīng)用和發(fā)展前景。

圖像的分辨率直接決定了我們認識世界的深度。例如，近視眼就無法看到較遠的事物的很多細節(jié)。而在人類認識微觀世界的過程中，顯微鏡的分辨率的提高往往會革新我們對世界的看法。但是，在材料研究中廣泛使用的電子顯微鏡（以下簡稱電鏡），距離理想成像仍然相去甚遠，也要差四十倍。在解蛋白質(zhì)等生物大分子中廣泛使用的冷凍電鏡方面，由于生物分子很容易被電子束破壞，分辨率甚至相差更遠。因此，進一步提高電鏡的分辨率一直是科學(xué)家們努力的目標。

電鏡有很多種，常被用來研究原子結(jié)構(gòu)圖像的是透射電鏡。我們的研究就是使用的透射電鏡。這種電鏡一般使用很高能量的電子，電子速度可達光速的一半。其成像原理是，當電子在經(jīng)過材料時，由于散射效應(yīng)，電子的路徑和分布會被改變，探測穿透材料的電子分布，就能夠得到材料的微觀結(jié)構(gòu)圖像。在經(jīng)過了近九十年發(fā)展后，透射電鏡集成各種電子設(shè)備和探測器，可以獲取各種類型材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成等信息。

由于分辨率的極限取決于波長，電子的波長遠小于可見光的波長，因此，電鏡發(fā)明后不久，隨后，電鏡的分辨率提高很快，到上世紀七八十年代，實現(xiàn)了直接觀測單個原子。

然而，電磁透鏡對電子的聚焦并不，存在很大的像差（相對于原始被成像物體，成像系統(tǒng)得到的圖像存在畸變和模糊等差異），電鏡的分辨率遠未達到波長決定的極限。

早在1948年，就有對電磁透鏡的像差進行矯正的理論設(shè)計，但是直到1996年，由于電腦控制技術(shù)的大幅進步和電子器件穩(wěn)定性的顯著提高，球差矯正器才真正被制造出來。此后，球差矯正器技術(shù)發(fā)展迅速，電鏡的分辨率也飛速提高，在差不多十年內(nèi)，分辨率很快從0.2納米提高到0.05納米。

但是，自2008年分辨率達到0.05納米之后的十年，電鏡的分辨率僅有非常小的提高。而進一步提高分辨率非常困難，需要設(shè)計新的復(fù)雜透鏡系統(tǒng)，并且要求非常穩(wěn)定的電磁信號和環(huán)境系統(tǒng)，甚至需要擔心量子擾動。

誠然，0.05納米已經(jīng)遠小于普通的原子—原子間距（0.1~0.2納米），目前的分辨率已經(jīng)足夠解決很多材料的結(jié)構(gòu)問題。不過，這種級別的分辨率并非可以在所有材料體系中實現(xiàn)。首先，這個分辨率必須使用很高能量的電子成像，很多材料無法承受如此高能量的電子，在得到結(jié)構(gòu)信息之前就被電子束破壞。其次，這種分辨率需要很苛刻的實驗條件，在大部分實驗室本無法實現(xiàn)。

早在1969年，Hopper, W. 提出了另外一種基于衍射的成像理論。在材料中，由于干涉效應(yīng)，衍射盤重疊產(chǎn)生的強度強弱變化包含了材料結(jié)構(gòu)的相位信息，因此，可以利用某種數(shù)學(xué)方法從衍射圖反解出實空間的結(jié)構(gòu)。這種方法就是我們最近的研究所采用方法的起源，稱為ptychography，這個英文詞來源于希臘文“折疊”，因此在這里翻譯為層疊衍射成像技術(shù)。

層疊衍射成像技術(shù)的在于，理想情況下，不需要使用用于成像的電磁透鏡，因此也稱為無透鏡成像技術(shù)（現(xiàn)有的數(shù)學(xué)處理方法尚不夠*，仍需要較好的物理透鏡的輔助）。該方法其實也提供了一種非常有效的突破成像透鏡像差對分辨率限制的途徑。在X射線成像領(lǐng)域，由于物理透鏡的加工技術(shù)所限，進一步提高分辨率非常困難，而可以比較容易提高分辨率的層疊衍射成像非常有用，因此，在很多同步輻射中心都建有專門的利用層疊衍射成像的線站。但是，在電鏡中，由于受到成像系統(tǒng)穩(wěn)定性，以及二維面探測相機在讀取速度和動態(tài)范圍等方面的制約，這種技術(shù)在電子顯微學(xué)領(lǐng)域沒有得到廣泛關(guān)注。

該技術(shù)的實驗設(shè)置如下圖所示，通過移動電子束掃描樣品，記錄從不同位置得到的衍射圖，得到包含位置和動量信息的四維數(shù)據(jù)。由于這種匯聚束衍射圖的中心透射斑非常強，衍射斑非常弱，強度差很容易高達上千倍，這樣就要求探測相機具有非常大的動態(tài)范圍和非常高的靈敏度。并且需要在原子尺度保持穩(wěn)定性，因此也要求相機的讀取速度足夠快。同時滿足這些條件的相機在技術(shù)實現(xiàn)上是非常困難的。

從十幾年前開始，康奈爾大學(xué)的David Muller教授和Sol Gruner教授課題組就開始合作研發(fā)用于衍射成像的二維面探測相機。

最開始進展并不順利，臺相機直接使用用于探測X射線的芯片，只實現(xiàn)了快的讀取速度和高的靈敏度，非但沒有實現(xiàn)高的動態(tài)范圍，甚至無法承受高能電子束輻照，很快就被電子束破壞而無法繼續(xù)工作。為了突破這一點，新一代的電鏡像素陣列相機（EMPAD）改進了設(shè)計，于2015年正式安裝于電鏡中。EMPAD具有一到一百萬電子的超大的線性響應(yīng)范圍，噪聲小于一百四十分之一個電子，具有的單電子靈敏度，讀取速度可達1100幀每秒，使其非常適合掃描衍射成像。在開始的應(yīng)用中，David Muller課題組利用該相機，采用納米束衍射技術(shù)，實現(xiàn)了二維材料超高精度應(yīng)變測量和鐵電體極化等成像。由于該相機的動態(tài)響應(yīng)范圍高達一百萬電子，為真正采用層疊衍射成像技術(shù)提高分辨率提供了可能性。然而，提高分辨率，特別是突破現(xiàn)有電鏡的分辨率仍非易事。在接近百分之一納米的尺度，非常微小的擾動就會破壞成像系統(tǒng)的分辨率。該相機仍然有提高的空間，首先，該相機一般工作時采集圖像的速度在每秒500-1000幀，仍然比通常使用的點探測器（例如，環(huán)形暗場相機）慢1000倍。較慢的采集速度會帶來較大的樣品漂移和輻照損傷。同時，在實際實現(xiàn)中，層疊衍射成像算法要求盡可能準確地知道各種實驗參數(shù)，不希望有明顯的樣品漂移和掃描噪聲。另外，因為目前電鏡的分辨率已經(jīng)好于通常的原子—原子間距，尋找合適的樣品來標定更高的分辨率也是一個問題。

因此，優(yōu)化實驗條件、校正實驗參數(shù)、找到合適的樣品以及解決算法中的各種參數(shù)設(shè)定等都花費了我們很多的時間和精力。最終，我們選擇單層二硫化鉬在衍射頻率空間標定分辨率，選擇一種小旋轉(zhuǎn)角的雙層二硫化鉬在實空間展示分辨率。其實，在頻譜空間已經(jīng)展示出，該方法和實驗數(shù)據(jù)已經(jīng)達到了超高分辨率。但是在電子顯微學(xué)領(lǐng)域，真正在實空間圖像上分辨出近距離的原子間距才是更為信服的分辨率標定方法。而帶有旋轉(zhuǎn)角的雙層二硫化鉬投影到平面上，提供了從兩層原子重合到出現(xiàn)一定的原子錯位，產(chǎn)生了0到大約0.2納米連續(xù)變化的投影原子間距，因此非常適合用來標定分辨率。經(jīng)過大量實驗嘗試和數(shù)據(jù)分析，最終，我們實現(xiàn)了0.04納米的新的分辨率世界紀錄。

Rodenburg在《自然》的評論中說道，該工作證實了層疊衍射成像方法可以超越物理成像透鏡，產(chǎn)生了新的分辨率世界紀錄。這么高的分辨率，并且是使用低能量低劑量的電子成像，對容易被電子束破壞的“脆弱”材料的結(jié)構(gòu)表征意義重大。

我們的研究工作展示了層疊衍射成像技術(shù)的可行性和潛力，真正將該方法推向?qū)嵱没Ｏ嘈旁摲椒ê芸鞎粡V泛應(yīng)用于解決很多類型材料的微觀結(jié)構(gòu)問題，例如二維材料、能源材料和多孔材料等。目前還在迅速發(fā)展的三維重構(gòu)算法，加上該方法具有的高的分辨率和相位襯度，也給三維全息結(jié)構(gòu)重構(gòu)提供了一種可行性。另外，初步的研究表明，該方法有望趕上甚至超越目前通用的冷凍電鏡的單顆粒成像技術(shù)，可能對生物大分子結(jié)構(gòu)的測定產(chǎn)生革命性的影響，有望在解決癌癥等困擾生物學(xué)和醫(yī)學(xué)多年的疾病上做出貢獻。

從最初被提出到真正實用化，層疊衍射成像技術(shù)的發(fā)展經(jīng)過了七十年，即使從上世紀九十年代出現(xiàn)明確的實現(xiàn)方案算起，也經(jīng)過了將近三十年。最初發(fā)展該方法的研究者的眼光和堅持非常值得欽佩。要知道該方法需要大量的計算機計算，在上世紀九十年代，根本無法想見電子計算機可以發(fā)展到現(xiàn)在這種程度，更無法預(yù)見電鏡和探測相機可以達到該方法的要求。

事實上，學(xué)術(shù)研究上不乏這樣的事例和研究者。發(fā)明或發(fā)展一種很有用的工具或方法，有時候可能比使用現(xiàn)有的工具或方法解決一個實際問題更有價值。當然，發(fā)展工具或方法也可能比解決一個實際問題困難得多。因此，科研評價在看重解決實際問題的研究的同時，也應(yīng)該鼓勵研發(fā)新的方法和工具。