IBM创造纳米世界新工具——扫描探针温度计

材料牛注：继扫描隧道显微镜和原子力显微镜之后，IBM实验室又重磅推出了一个新发明——扫描探针温度计，来帮助我们更好地理解纳米世界。

如何精确地测量纳米尺度物质的温度这个问题已经困扰科学家们几十年了。现行的一些测量方法，一般结果不准确而且常会引起失真，所以可靠性不高。但是为了使未来的电脑具有感知能力，科学家们需要精确表征其晶体管的温度，他们要怎么应对挑战呢？

发明过程

早在20世纪80年代，IBM实验室的科学家Gerd Binnig以及后来的Heinrich Rohrer想要直接探索材料表面的电子结构及缺陷，但是却苦于没有这样的仪器存在。因此他们就做了一件任何一个伟大的科学家都会做的事情：自己发明了一个这样的仪器，也就是后来大名鼎鼎的扫描隧道显微镜，从而打开了人类迈向纳米世界的大门。该项发明获得了科学界的高度认可，发明者也因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。

在后来的30多年里，IBM的科学家们继续沿着Binnig和Rohrer的脚步前进，创造了许多新的发明，纳米尺度测温技术就是其中之一了。他们将材料自身的热量传感和显微镜的测量能力相结合，发明了扫描探针测温计。

如何工作

测量宏观物质的温度最常见的方法是让温度计与被测物体相接触。遗憾的是，该方法用来测量纳米尺度的物质就有一点问题了。比如说，用现在常见的温度计去测量单个病毒的温度就不太可能。因为病毒太小了，在不影响病毒自身温度的情况下，温度计的能量不可能与之平衡。

为了解决这个问题，IBM的科学家发明了一种单一扫描非平衡接触式测温技术，使用一个扫描探针去测量纳米尺度物质的温度。同时测量两个信号：一是小的热流量，二是热流阻抗，结合这两个信号，纳米尺度物质的温度可以被准确测量。

IBM的科学家Bernd Gotsmann博士解释道：“这项技术类似于我们自己去接触一个热片，通过感知我们自身和热源之间的热流来推断它的温度。本质上，这个探针就是我们的手，在判断物体温度时我们对冷热的感知很重要，但是如果热流的阻抗是未知的，我们也有可能被误导。”

Fabian Menges是IBM实验室的一名博士后，也是该技术的发明者之一。他补充道：“扫描探针温度计不仅测量精确，而且操作简便，能够实现多方面的功能。例如，它可以测量能够影响材料局部物理性能的，精确到纳米尺寸的某一点的性能。或者是控制晶体管、存储单元、热电能量转换器等微小设备里的化学变化。总之，它的应用是十分广泛的。”

“无声实验室”

18个月以前，也就是该团队将研究室转移至一个新的“无声实验室”的时候，他们在开发扫描探针温度计的路上，终于看到了曙光。这个“无声实验室”位于IBM在苏黎世的工业园区地下六米深的Binnig和Rohrer的纳米技术中心。这个独一无二的环境，保证了实验不会受到震动、噪声、电磁和温度波动等干扰，帮助他们将测量精度提高到千分之一开尔文。
但是，Menges也表示：“虽然我们的发明得益于这个独一无二的“无声实验室”，但是该技术在普通的环境中也能产生可靠的结果。”

对于该团队下一步的计划，Gotsmann博士表示：我们希望文章的发表将会给像我们这样的一直探索这样的工具的科学家们带来兴奋和轻松。与扫描隧道显微镜类似，我们希望将这项技术带给仪器制造商，从而把它推向市场，给他们的显微镜增添一个附加功能。