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我翻了 問問題 的牆

魏德新

國家同步輻射研究中心 研究員

1986 年畢業於成功大學物理系,於 1996 年獲得美國奧勒岡大學物理博士學位,隨即進入中央研究院原子分子科學研究所擔任博士後研究員,派駐於行政院同步輻射研究中心籌備處(現為「國家同步輻射研究中心」,簡稱國輻中心),參與掃描式光電子顯微(SPEM)實驗站的建造。

1997 年轉任同步輻射研究中心博士後研究員,並於 1999 年赴美國勞倫斯伯克萊國家實驗室(LBNL)的先進光源(ALS)參加第三代光電子顯微鏡(PEEM3)的研發。2000 年返台任職於國輻中心並擔任 X 光光電子顯微實驗計畫主持人,現為國輻中心研究員、清華大學與中山大學合聘教授,磁性技術協會理事。

【 「台灣光子源」的放大成像技能:超必殺,X光顯微術! 】

如果我們可以將多個小零件搭建成一個大物件,我們周遭的東西也可能是由其它的小零件所組成?

從天文望遠鏡、衛星照相機、到顯微鏡,它們之間的一個共同點就是透過影像來記錄並傳達訊息。不同的是,望遠鏡觀測的是尺度很大但距離很遠的物體,而顯微鏡探測的則是尺度很小且距離很近的物件。

那麼,為什麼要發展 X光顯微鏡?X光光源能為顯微術帶來什麼不一樣的功能?而使用電子加速器產生的 X光又能為 X光顯微術帶來甚麼利基?

位於新竹科學園區的台灣光源已經有超過 20 年發展 X光顯微術的經驗,隨著嶄新的台灣光子源在去年(104 年)開始運轉及今年(105 年)逐步開放設施,這個亮度提升超過原有光源 1 萬倍的新光源將讓未來的 X光顯微鏡能夠看得更深、更清楚。我們期望未來的「台灣光子源」X光顯微術除了能夠提升國內基礎科學和科技的研發能力,也可以在能源、醫療、食安等多項議題上扮演重要的角色。

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【 快問快答 】

第一次翻牆是什麼時候?什麼樣的情境下?

在念書的時候,發現高手同學都是用問問題、討論方式吸收知識、準備考試。

如果把「知識」比喻成動物,你會把「知識」比喻成什麼?

知識像是大象,大家都像瞎子摸象,都摸了一部份,各講各的,只有討論才能互相了解以及真正得到知識。

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  • 文/Gilver,出身生科系、碩士畢業,常詫異於生物科學的各種WTF並以散播新知為樂。曾任泛科學實習編輯代號G,目前正徘徊於畢業與就業的陰陽魔界之中。

超必殺,到底威在哪?擁有了它,你可以很不一樣!

有了顯微術,就能用來看原本看不到的東西,但 X 光顯微術有哪裡稱得上「超必殺」?因為視覺是內建的認知管道,就像最近流行的虛擬實境(Visual Reality, VR),能夠看到它,就容易相信它。X 光顯微術就好像是讓你擁有一把倚天劍、屠龍刀來號令天下,或是在寶可夢的世界裡擁有快龍一樣的超必殺。

對遙遠星海的好奇心,引領人們開始發展顯像技術,然後有了太空望遠鏡,讓人們看到星體的樣貌;另一方面,人們也好奇那些難以看清的迷你小東西是長什麼樣子?怎樣才能看到肉眼看不到的物品?你可能會想到幾種方法:把東西放大!像蟻人一樣把自己縮小!或者就是使用顯微鏡。

顯微鏡看起來是近年來的發展,卻在很久以前就有相關的知識。早在西元前三千年以前,人類就知道如何利用人造結構聚焦光線,用來生火,而且在中國、埃及、美索不達米亞都有這些技術,但跨到下一步就花了相當久的時間──直到 16、17 世紀時,有人利用光學元件來組成放大透鏡組,顯微鏡的技術就在往後三百年間突飛猛進,到了 21 世紀我們已經能看見奈米尺度的微觀世界了。

X 光顯微術,超越外貌協會!

顯微術常見的做法有影像分析照相(一張張的擷取)和點分析研究型的紀錄(一點一點的紀錄),目前的顯微術已經可以看到小於一個原子的尺度。那有哪些標準可以用來幫顯微鏡打分數呢?其實你已經知道很多了:影像解析度很重要,訊號強度很重要、影像對比很重要,形狀、大小、距離的資訊也很重要,越多訊息越好。

X 光是德國科學家倫琴(Wilhelm Röntgen)無意間發現的一種電磁波,還應用 X 光的透視拍了一張手骨的照片。而我們的同步加速器光源,波長涵蓋 10-4~10-12公尺的連續波段光源,橫跨紅外光、可見光、紫外光、軟 X
光、硬 X 光等波段,有什麼長度的尺,就量什麼大小的物體。

新竹的同步輻射中心.台灣光子源的超必殺之處,在於能創造超高亮度的光源,解除了顯微術訊號可能不足的限制,再微弱也測得到!不只這樣,台灣光子源還增加了很多可能的影像對比機制,而且能製造連續波長的光源任君選擇。

顯微術不一定要探測到光,你也可以測電子。當你利用光電子原理,將探測源改用 X 光時,物質吸收越多光,訊號就越強,這應用在SPEM(掃描式光電子顯微鏡)和PEEM(光發射電子顯微鏡)兩種顯微鏡中。

一窺推動微觀世界的機制

除了看見小東西,它還能夠利用光電效應的原理,也就是光的頻率和波長要對應到特定的能階、電子才能被激發出來,以激發出來的光電子能譜進行材料分析,知道光電子是從哪一種元素激發出來的。

同步輻射還有一個強處是可以調波長。先找到物體大略的輪廓後,透過更換反射的金屬片,能推測觀測物體當中哪種元素含量可能偏多。最後,X 光還能讓你超越外貌協會,利用能譜顯微術能告訴你物體內部的成分,這個和台積電有點關係,能夠在不破壞積體電路的前提下,檢查製品內鎢柱是不是有會破壞導電性的匙孔出現。除此之外,可能會造成危險的鋰電池,在反覆充放電過程當中會膨脹和破裂,最後變成多孔性結構,也可以用這種方法檢查出來。

看不到它,並不代表它不存在;看到了它,就會嘗試了解它。表面形貌常是理解的第一步,但是形貌不代表一切。有了台灣光子源的超必殺 X光顯微術,我們將可以透視覆蓋於表面下的世界,一窺推動微觀世界的機制!

欲罷不能,想讀完
在翻牆與不翻之間請別猶豫錯過知識撞擊
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