From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

想象一个你可以看到并触摸到单个原子的世界，这些原子是构成我们周围一切事物的微小建筑模块。几十年来，科学家们一直使用一种被称为原子力显微镜的特殊显微镜来做到这一点。这种仪器并不使用光（因为光对于观察原子来说太大了），而是使用一根极其尖锐、末端只有一个原子的针尖。当这根针在表面上方徘徊时，它能感受到自身与下方原子之间相互吸引或排斥的无形力量。这些力量范围极广，从将尘埃聚集在一起的极其微弱且温柔的拉力，到将分子结合在一起的极其强大的化学键。研究人员一直面临的一个重大问题是：这根针仅仅是一个被动的观察者，静静地记录着存在于那里的事物，还是一个改变了它所见之物的积极参与者？

来自诺丁汉大学及其他机构的一个研究小组花费了二十年时间来回答这个问题。他们经历了一场关于原子尺度下各种不同类型力量的旅程，从最弱的力量开始，逐步过渡到最强的力量。他们的工作表明，这根针永远不是一个被动的观察者；它始终在与表面进行交互，有时是温柔地交互，有时则是如此强烈以至于移动了原子。通过精确理解这根针是如何表现的，他们学会了如何逐个原子地构建微小结构，并且他们现在正在教计算机协助他们做得更好。

故事始于最弱的力量，即那些将纳米颗粒固定在表面薄层中的力量。研究人员观察了一层位于硅表面上的金纳米颗粒薄膜，每个颗粒的宽度仅约为两纳米。当他们用原子针扫描这个表面时，发生了一些令人惊讶的事情。这些最初以杂乱、迷宫状模式散布的颗粒，开始重新排列成更大、更平滑的团簇。这并不是因为热量或自然老化发生的，而是因为针尖在往复扫描的过程中推挤和拉动了这些颗粒。这根针充当了一个微小的局部能量源，推动着颗粒直到它们找到了一个更稳定的排列方式。这个被称为“粗化”的过程表明，即使是显微镜最轻微的触碰也能重塑表面，证明了工具本身驱动了这种变化。

在力量等级上升的过程中，团队研究了两个被称为“富勒烯”的足球形状分子是如何相互作用的。他们成功地将其中一个分子粘在了针尖上，然后将这个针尖靠近位于表面的另一个富勒烯。通过测量它们之间的力，他们绘制出了这两个分子如何相互吸引和排斥的精确图谱。他们发现，分子相对于彼此的取向至关重要。尽管整体力量是吸引力，但分子之间原子间的排斥力才是决定它们如何结合在一起的关键。这种详细的映射表明，这种相互作用远比简单的吸引复杂得多；它是一种完全取决于分子旋转角度的、微妙的力量平衡。

研究人员随后将注意力转向了一种常见的化学连接——氢键，这种键对于维持许多生物分子至 Gust 结合至关重要。过去，科学家曾声称在显微镜图像中直接看到了这些连接分子的亮线。然而，诺丁汉团队发现这些亮线往往是幻象。当他们扫描一个由氢键连接分子的表面时，他们确实在应该存在化学键的地方看到了亮线。但当他们仔细分析数据时，意识到这些线条并不是键本身。相反，它们是由显微镜的柔性针尖在移动过程中轻微弯曲造成的，从而创造出了一种即便在没有键的情况下看起来也像是有键的图像。这一发现是对该领域的重大修正，表明在显微镜图像中看起来像化学键的东西，可能只是工具自身运动产生的人为伪影。

为了超越这些幻象，团队转向了所有力量中最强的一种：共价键，即那些将原子牢固连接在一起形成固体结构的刚性纽带。他们专注于一个硅表面，其中的原子对（称为二聚体）锁在一起，但可以像开关一样前后翻转。通过以恰到好处的力量向下按压针尖，他们能够控制这些原子开关，按指令改变原子的取向。然而，他们发现自己无法孤立地翻转单个原子；这种行为总是会影响到其邻近的原子。这告诉他们，局部环境是至关重要的；由于原子之间的连接非常紧密，改变其中一个必然会改变其他原子。这种水平的控制对于构建未来的原子级器件至关重要，但这需要对整个原子群如何对探针做出反应有深刻的理解。

这项工作的最终目标是从底层开始构建结构，即逐个放置原子以创造新材料。团队通过从表面拾取单个铜原子并将其沉积在特定图案中来展示了这一点。他们了解到，他们不能仅仅将原子在侧向推移；有时必须将它们从表面提起并落在新的位置。这种垂直操控允许他们构建出通过侧向移动无法形成的原子簇。例如，他们成功创建了一个由三个铜原子组成的紧密三角形簇，这种形状是仅靠侧向移动无法形成的。这种既能上下移动又能左右移动原子的能力，为构建复杂的、三维的原子级形状开辟了新途径。

在所有的这些实验过程中，研究人员意识到针尖的形状是最重要的变量。一个完美的、单原子的针尖是一个在现实中极少存在的理想状态。他们的显微镜针尖通常很杂乱，有多个原子凸出于外，这改变了它们与表面的相互作用方式。有时这种杂乱有助于他们看到完美针尖无法看到的现象，但有时也会产生令人困惑的图像。为了解决这个问题，他们开始使用人工智能来提供帮助。他们训练计算机程序来识别针尖的形状，并决定移动的最佳方式。这些程序可以从数千次尝试中学习，以找到拾取并放置原子的完美动作序列，从而有效地实现了构建物质的过程自动化。

该团队的工作强调了观察原子世界的一个基本事实：你所使用的工具本身就是实验的一部分。你不能仅仅观察原子；你始终在与它们进行交互。无论是轻轻推动一个颗粒、翻转一个开关，还是构建一个新的结构，显微镜都是一个积极的参与者。通过理解工具的极限与能力，并利用智能计算机进行引导，这些科学家正朝着能够逐个原子设计并构建材料的未来迈进，从而创造出从未存在过的东西。