借助3D打印機
5天搭出顯微鏡
這個暑假，在清華大學國際暑期學校，來自牛津大學、倫敦大學、清華大學、北京大學等國內(nèi)外高校的30多名大學生，5至7人分成一組，在五天的時間內(nèi)連續(xù)奮戰(zhàn)，用積木搭建出一臺可以使用的原子力顯微鏡。整個搭建過程除了使用樂高積木外，學生們還使用基礎工業(yè)訓練中心的3D打印機，打印了一些部件。
相對于一些大學的“暑期學校”以游學、放松為主的課程，這個暑期學校挑戰(zhàn)項目可謂是“高強度苦行軍”，很少有娛樂活動安排，學生需要全方位調(diào)動自己的能力，長時間泡在實驗室里，在極其有限的時間內(nèi)完成一架顯微鏡的制作，這對每個人都是一項艱巨的挑戰(zhàn)。
在評委到來前，第3組組員張運炎還在抓緊調(diào)試他們組制作的原子力顯微鏡，他毫不掩飾自豪感：“我們設計的裝置結構非常巧妙，絕大部分積木，配合少量的金屬元件固定就能完成。”這位英國倫敦大學博士二年級的學生今年科研做得不錯，導師“特批”了他一個月的假期，他就報名參加了這個活動。“原子力顯微鏡是非常高科技的東西，我在研究中經(jīng)常會用到它。當我看到這個活動的時候，我想，這么高科技的東西，用積木造出來，不是很有挑戰(zhàn)性嗎?所以，我就從英國跑回來玩積木了!”
為什么選擇將制造原子能顯微鏡作為活動的目標?暑期學校的組織者，清華大學微納米力學研究中心副主任弗朗索瓦教授說：“原子力顯微鏡在表面科學研究領域是一個非常重要的儀器。一方面，該顯微鏡十分昂貴，但同時，它的機械結構簡單，所以有可能在一周以內(nèi)，讓新手按照這個工作原理制造出來。”
就像盲人“看”到了世界
近日，記者在清華大學見到了這些顯微鏡。初一看，還以為就是用一塊塊小積木搭建出的玩具機器人，高約30厘米。唯一能看出“高科技”的地方就是它們布滿了各種線路，“這樣的家伙，能看到我們所看不到的東西?”
搭建的學生告訴記者，不要小看這個略顯粗糙的“機器人”，積木塊上面安裝了高精度的光電二極管、壓電陶瓷管等元件。固定裝置發(fā)射出的激光通過懸臂反射，照射在光電二極管上，隨著不同位置的變化，得出不同的反射角度，這些角度數(shù)據(jù)通過計算機芯片還原，就能得到被觀察物體的表面三維形狀。
學生們舉了一個形象的例子：盲人了解世界主要就是靠手觸摸感知它的表面形狀，然后通過大腦形象思維形成對這個物體輪廓的認識。原子力電子顯微鏡的原理亦是如此。清華大學工業(yè)工程系副教授顧學雍說，這次學生用五天時間制作的原子力電子顯微鏡已經(jīng)能“看”到納米級大小的物體，遠遠超過了一般光學望遠鏡的觀察尺度。
積木顯微鏡造價省了99%
作為此次課程的組織者，顧學雍告訴記者，顯微鏡是高中常見的教學儀器，但一般的光學顯微鏡放大倍數(shù)不高，有時不能滿足學生的需求。原子力顯微鏡造價又很高，平均造價在10萬元以上。而積木顯微鏡的造價不會超過千元，兩者相差100倍。這次暑期學校的課程，目的是啟發(fā)大學生能夠面向中學和中學生，設計出他們適用的原子力顯微鏡，作為課堂教學的道具。
值得注意的是，在評選過程中，主辦方還特意邀請了包括清華大學附中在內(nèi)多所中學的8名高中學生作為評委。中學生們看得很仔細，并逐一對大哥哥大姐姐的作品進行了點評。“有些作品操作性不太強，高中生使用桌子經(jīng)常晃動，應該加上防震措施。”清華附中的高二學生歐陽楚可說。還有一些中學生認為，這些“積木電子顯微鏡”雖然很便宜，但維護條件很差，長期使用的保養(yǎng)、精確度校準都有問題，“我們總不能用一次就扔了吧?那成本還是很高。”
幾乎所有中學生都告訴記者，此前他們沒有接觸過原子力電子顯微鏡，學校的光學顯微鏡只能放大數(shù)十倍，看看細胞壁、細胞液而已，“這里的大學生哥哥說，他們做的顯微鏡甚至能看到細胞質(zhì)中的折疊蛋白、核酸表面結構，這對我們來說就好比發(fā)現(xiàn)了新的世界。”
成熟作品將推廣到高中
顧學雍也坦言，由于時間有限，大學生們制作出的積木顯微鏡只是初具模型，離真正的實用還有不小差距。記者在探訪時發(fā)現(xiàn)，一些積木顯微鏡在實際觀測的時候還會出現(xiàn)一些小故障，比如有的不能自動探測，有的器件位置不對等。顧學雍透露，課程結束之后，大學生還可以繼續(xù)修改作品，當作品成熟完善之后，將推廣到部分高中學校。
顧學雍說，雖然評比結束，但是這個制造1000元以下原子力顯微鏡的活動會繼續(xù)下去，中英兩國的大學生們繼續(xù)通過互聯(lián)網(wǎng)推進這個項目，進一步完善他們的成果。
此外記者了解到，部分積木顯微鏡的實踐者還將獲得海外交流的機會。4位中國大學生和4位英國大學生將獲得推選參加明年的一項全球活動。“原子力電子顯微鏡項目到時候會向全世界發(fā)布，讓全世界的人們按照我們的設計來制作便宜的原子力顯微鏡。”弗朗索瓦教授說。而在中學教師看來，這無異于一次新的教學技術革命。
