震惊！全球最小电影：原子表面放大1亿倍。如何做到的？！

IBM的科学家们今天推出采用宇宙中最小元素之一原子制成的世界最小电影

主人公与一个原子结伴玩耍—包括跳舞、追逐和在蹦床上弹跳

为了能够制成这部影片，科学家们借助 IBM 发明的扫描式隧道显微镜来移动原子。

这个获过诺贝尔奖 的工具是第一个让科学家们看到小到单个原子的世界的仪器

吉尼斯世界纪录证明该电影是世界上最小的定格电影

5月3日消息，IBM 科学家日前宣布，他们采用宇宙中最小的元素之一–原子制作出世界上最小的电影。这部获得吉尼斯认证的电影名为《A Boy and His Atom》，采用数千个精确放置的原子制作了近250帧的定格动画动作。

IBM利用原子制作世界最小电影 媒体来源：新浪科技 《A Boy and His Atom》刻画了一个名为Atom的角色将一个原子当成朋友，踏上了一段充满乐趣的旅程，包括跳舞、玩接球游戏和跳蹦床。影片配以了活泼的背景音乐，以一种非研究的独特方式，传达科学概念，并展现了科学世界的魅力。

IBM研究院项目负责人安得利斯-海恩瑞希(Andreas Heinrich)说：“通过挥手，人们就可以制造原子的运动。而通过捕捉、定位和塑形原子，并在原子量级制作原创电影是一门严谨的科学，同时也是一种全新的方法。IBM研究员并不仅仅是解析科学，而且亲身实践。该影片是分享原子级世界的有趣方式，向普通人展示了科学带来的挑战和乐趣。”

制作电影及如何操作原子

制作电影

为了制作电影，科学家们采用了IBM发明的扫描式隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope，STM)移动原子。IBM研究院研究科学家克里斯托弗-卢茨(Christopher Lutz)说：“这个曾经获得诺贝尔奖的工具有史以来第一次使科学家能够以单个原子的形式展现世界。这个设备重达两吨，在零下268摄氏度下工作，并将原子表面放大超过1亿倍。精确控制温度、压力和震动的能力使我们的IBM研究院实验室成为世界上为数不多的能够如此精确地移动原子的地方之一。”

IBM研究员在一台标准计算机上采用远程操作的方式，使用STM控制一个超锋利的针头沿着一个铜表面来“感觉”原子行进。针头距表面仅有1纳米，即一米的十亿分之一，可以真正地吸引表面的原子和分子，从而精确地将它们放入表面上的指定位置。移动的原子发出独特的声音，这是确定原子到底移动了多少个位置的关键反馈信息。

在制作电影时，科学家们形成了单独排列的原子的静态图像，共计242个单帧。

“收纳”大数据的需求

制作世界上最小的电影对IBM来说并不是全新的创意。几十年来，IBM研究院的科学家一直在纳米级对材料进行研究，努力探索数据存储等的极限。

随着计算机电路向原子量级尺寸缩减，根据摩尔定律发展了几十年之后，芯片设计人员采用传统技术已经接近了物理极限。原子具有良好控制的表面，对于原子磁性和属性的非常规方法的探索使IBM科学家能够识别出全新的计算路径。

借助工程数据存储设备所用的最小物体单个原子，制作该影片的IBM研究员最近还创建了世界上最小的磁位。他们最先回答了可靠地存储一位(bit，比特)磁信息需要多少个原子的问题：12个。通过对比得知，在现代计算机或电子设备上存储一位数据需要大约100万个原子。如果这种原子级的存储技术实现商用，这种原子存储器有朝一日能够将有史以来所有的影片存储在一个指甲盖大小的设备中。

海恩瑞希(Heinrich)表示：“该研究指向全新的方向，即探索超越短期工程性解决方案的前瞻性命题。随着数据的创建和消耗量日益增大，数据存储占有的空间需要进一步缩小，一直缩减到原子级别。我们正利用这些技术提出新的计算架构，以及在制作本部电影时以替代方式存储数据。”

获得了诺贝尔奖设备–扫描式隧道显微镜的历史及发展

自从第一台显微镜被发明以来，世界各地的研究人员和科学家不断寻找新的方式，力求进一步加深对于微观世界的了解。1981 年，IBM 公司的两位研究人员 Gerd Binnig 和 Heinrich Rohrer 发明了扫描式隧道显微镜 (STM)，开辟了微观科学的新天地。

Binnig 和 Rohrer 前所未有的发明使科学家能够观察由分子和原子组成的世界。STM 在 1986年获得了诺贝尔物理学奖，并且被广泛认为是打开纳米技术和在多个领域中广泛探索的大门，包括电化学、半导体科学和分子生物学。

STM 是由两位希望进一步拓宽科研边界的科学家合作开发的。通过 20世纪 70年代末在IBM苏黎世实验室共同合作，Binnig 和 Rohrer 凭借在超导性研究领域的背景，都热衷于对原子表面的研究— 由于表面的独特特征，这是一个极为复杂而且让科学家感到困惑的主题。但是，他们的探索受到了现有工具状态的限制。没有一种技术允许科学家直接探索表面的电 子结构和缺陷。

普通的显微镜采用光学镜头，可以观察比光波长还要小的物体。电子显微镜可以观察更小的物体，而清晰度高于光学显微镜，但仍无法清晰地观察单个原子。

于是，Binnig 和 Rohrer 决定设计出自己的仪器 – 能够在纳米级观察并处理原子。为了做到这一点，他们开始试验隧道方法，这是一种量子现象，即原子从固体表面脱离，形成一种笼罩在表面的云;在另一个表面接近时，其原子云叠加到上面，并发生原子交换。

通过调整极短距离内的样本表面上的尖锐金属导线，Binnig 和 Rohrer 发现，导线和表面之间的电流量可以测量出来。电流的变化可提供关于内部结构和表面的高度地形信息。通过这些信息，我们可以建立样本表面的三维原子级地图。

1979年 1月，Binnig 和 Rohrer 提交了关于STM的第一个专利申请。很快，在同事 Christoph Gerber 的帮助下，他们开始设计制造显微镜。

在设计 STM 的前几个月内，两位发明人必须对原始设计进行一系列调整，以准确地产生如此微小量级的测量结果。这些更改减少了变化和噪声;更准确地控制扫描导线的位置和移动;并且提高了探针导线本身的锐度。

他们的第一次试验是采用金晶体的表面结构。最终的图像显示了各行间隔精确的原子和由一个原子高度分隔开的大平台。据 Binnig 在诺贝尔奖颁奖仪式上关于最初试验的讲座中谈到，“我目不转睛地盯着图像。我进入了一个全新的世界。”

经过多显微镜的多次调整，其机械设计的精度大大提高，而且图像也更加清晰。很快，全世界的科学奖都开始认识到了 Binnig 和 Rohrer 的发明的重要意义，他们有史以来第一次能够了解纳米级世界的每个原子和分子。

STM 也可用于推拉每个原子，因此，这也标志着人类第一次能够处理如此之小的物体。

在第一台 STM 制造出来五年后向 Binnig 和 Rohrer 授予诺贝尔物理学奖时，诺贝尔奖委员会表示，这项发明开辟了“物质结构研究……的新天地”。 Binnig 和 Rohrer 具有突破意义的发明是纳米技术研究的起点— IBM 在这个领域一直作为先驱者。由于其高分辨率的成像能力和广泛的适用性，STM 主要应用于物理、化学、工程设计和材料科学领域。

原子力显微镜 (AFM) 是 STM 的后代产品，由 Binnig 在 1986年开发出来，它通过对非导电材料进行成像而开辟了显微镜的全新应用领域。除了 AFM 之外，Binnig 和 Rohrer 的扫描式隧道显微镜还导致相关仪器和技术的出现，使我们观察、探索和处理以前无法观察到的表明和材料的能力发生了革命性变化。

技术突破：

据 Gerd Binnig 表示，科研团体花费了两年时间接受扫描式隧道显微镜。在早期，设备提供的图像非常小，能够提供的数据信息非常少。之后，随着输出质量不断改进，其它实验室 的研究人员开始加入研究中，使设备性能不断得到提升。分辨率越来越高，而成像时间逐渐缩短。与十年前纳米技术研究的早期阶段相比，当前的纳米级显微镜有了 巨大的进步。

进一步创新

1974年，IBM 的 Ari Aviram 和纽约大学教授 Mark Ratner 共同提出了一个理论，而在当时，这个理论由于缺乏充足的技术支持而无法验证。Aviram 和 Ratner 提出，分子具有导电属性，因此可以传输或储存电。15年后，Binnig 和 Rohrer 在显微镜研究领域的进步为验证 Aviram 和 Ratner 的建设提供了技术手段。这项具有开创性的工作促进了分子电子领域的发展，而如今已经成为纳米技术的一个分支。

文化影响：

Binnig 和 Rohrer的扫描式隧道显微镜揭示了以前无法看到的物理世界的方方面面。显示的图像非常独特和迷人，很快，扫描式隧道显微镜成为一种艺术媒介。同样令人 振奋的是纳米技术领域的兴起，这个具有“科幻”意味的领域很快成为一种文化现象，在书籍和影视作品中随处可见。

纳米艺术

文学作品中的纳米技术

在扫描式隧道显微镜被发明之前和之后，纳米技术不断出现在文学作品中。传奇科幻作家 Arthur C. Clarke 被公认为是第一个在他的短片小说《The Next Tenants》(1956年)中提到纳米技术的作家。在这个关于一位对白蚁感兴趣的科学家的故事中，Clarke 提到了一种可以进入到原子级的强大的无形设备。2002年，Michael Crichton 发表了小说《Prey》。这个警示性的故事围绕着出现差错的纳米技术研究项目而展开，其中，纳米机器人是以坏人的身份出现。

影片中的纳米技术

第一部描写纳米技术的影片是《终结者2》(1991年)。阿诺德-施瓦辛格扮演的原型终结者看似过时，却演绎了一个经过改进的 全新版本。这个先进的终结者是由几百万个“纳米机器人”建造而成的，能够在烧毁、撞碎或者被射击成碎片后恢复原型。2004年上映的大受欢迎的科幻电影 《我，机器人》将时间设定在2035年。纳米机器人以生物医疗探针的形式成为主角，目的是治疗人类的疾病。该影片是根据著名科幻作家Isaac Asimov的许多短篇作品改编而成的。

电视中的纳米技术

纳米力显微镜 (AFM) 是 STM 技术的后代，出现在了 2008年的犯罪系列剧《犯罪现场调查：迈阿密》。在《Rock and a Hard Place》一集中，法庭辩论专家在进行谋杀现场调查时使用AFM检验所发现的药丸。在现实中，纳米技术逐步在法庭辩论中被接受。例如，最新的指纹复原方 法就是采用包含金纳米微粒的液体。

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