比小更小:为什么我们测量原子之间的空间

编者按:这是一篇由雅各布·琼斯他是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程专业的副教授。

我们研究极小物体的运动。小到什么程度才算小?想想比“纳米”更小的东西。想想比原子更小的东西。我们测量原子位置对电力的无限微小的变化。测量小的是有挑战性的，但值得。通过测量这么小的东西，我们解开了隐藏的秘密，这将推动许多不同的电子设备。

如何以及为什么?让我们从基础开始。

大多数人都知道金属擅长进行电力。这意味着电子可以在大多数金属中长距离移动。电网是这种基本材料行为的一个完美例子，也是电导率最易于识别的应用之一。

相比之下，绝缘材料的这种效果可以减少10-20倍数量级．实际上，电子在绝缘材料中几乎无法移动。由于这些材料(通常)不允许电子移动，它们的一些最基本的应用是保护和直接电导体。想想电源线周围的保护层。

电子对绝缘材料来说仍然是至关重要的，但扮演着不同的角色。在被电力推动之前，电子与某些原子强结合，产生带正电荷的“阳离子”和带负电荷的“阴离子”。当用电力(如电压)推动时，正离子和负离子可以轻微移动。上面的图片是对这些微小运动的夸张描述。

这些阳离子和阴离子之间的距离是很小的开始-测量近10¹⁰米，或者比纳米更小。在施加电压时，它们位置的变化甚至比测量的小10还要小^-15年到10^-17年米!然而，这些小位移对于许多高科技应用来说是必不可少的，从微机电(MEMS)系统到光学和卫星系统中镜面的高精度控制。

我们研究界面临的挑战之一是如何测量如此微小的物体。光学显微镜被限制在分辨诸如生物细胞之类的特征——对于分辨原子和小的原子运动来说太大了。我在北卡罗来纳州立大学带领一组研究人员使用高能x射线来测量这些影响。这些x射线的波长，大约是10^－10米，可以用来测量原子之间几乎无穷小的距离。专门的设备和对测量信号的彻底分析目前可以揭示原子运动的变化，其变化可达近10个^-16年米。这意味着我们要测量一些重要的原子效应。

一旦我的团队了解了不同的正离子和负离子在电力的作用下是如何移动的，研究团体就可以利用这些信息来设计更好的能量存储和转换设备，比如电容器，驱动器和压电材料．我们终于可以从下往上开始设计这些绝缘材料，从原子水平开始。目前，在北卡罗来纳州立大学也出现了一个多研究者，多大学研究这些材料的中心介电和压电中心，所以这些测量的时间将有助于一些相关的研究项目。