借助3D打印机
5天搭出显微镜
这个暑假，在清华大学国际暑期学校，来自牛津大学、伦敦大学、清华大学、北京大学等国内外高校的30多名大学生，5至7人分成一组，在五天的时间内连续奋战，用积木搭建出一台可以使用的原子力显微镜。整个搭建过程除了使用乐高积木外，学生们还使用基础工业训练中心的3D打印机，打印了一些部件。
相对于一些大学的“暑期学校”以游学、放松为主的课程，这个暑期学校挑战项目可谓是“高强度苦行军”，很少有娱乐活动安排，学生需要全方位调动自己的能力，长时间泡在实验室里，在极其有限的时间内完成一架显微镜的制作，这对每个人都是一项艰巨的挑战。
在评委到来前，第3组组员张运炎还在抓紧调试他们组制作的原子力显微镜，他毫不掩饰自豪感：“我们设计的装置结构非常巧妙，绝大部分积木，配合少量的金属元件固定就能完成。”这位英国伦敦大学博士二年级的学生今年科研做得不错，导师“特批”了他一个月的假期，他就报名参加了这个活动。“原子力显微镜是非常高科技的东西，我在研究中经常会用到它。当我看到这个活动的时候，我想，这么高科技的东西，用积木造出来，不是很有挑战性吗?所以，我就从英国跑回来玩积木了!”
为什么选择将制造原子能显微镜作为活动的目标?暑期学校的组织者，清华大学微纳米力学研究中心副主任弗朗索瓦教授说：“原子力显微镜在表面科学研究领域是一个非常重要的仪器。一方面，该显微镜十分昂贵，但同时，它的机械结构简单，所以有可能在一周以内，让新手按照这个工作原理制造出来。”
就像盲人“看”到了世界
近日，记者在清华大学见到了这些显微镜。初一看，还以为就是用一块块小积木搭建出的玩具机器人，高约30厘米。唯一能看出“高科技”的地方就是它们布满了各种线路，“这样的家伙，能看到我们所看不到的东西?”
搭建的学生告诉记者，不要小看这个略显粗糙的“机器人”，积木块上面安装了高精度的光电二极管、压电陶瓷管等元件。固定装置发射出的激光通过悬臂反射，照射在光电二极管上，随着不同位置的变化，得出不同的反射角度，这些角度数据通过计算机芯片还原，就能得到被观察物体的表面三维形状。
学生们举了一个形象的例子：盲人了解世界主要就是靠手触摸感知它的表面形状，然后通过大脑形象思维形成对这个物体轮廓的认识。原子力电子显微镜的原理亦是如此。清华大学工业工程系副教授顾学雍说，这次学生用五天时间制作的原子力电子显微镜已经能“看”到纳米级大小的物体，远远超过了一般光学望远镜的观察尺度。
积木显微镜造价省了99%
作为此次课程的组织者，顾学雍告诉记者，显微镜是高中常见的教学仪器，但一般的光学显微镜放大倍数不高，有时不能满足学生的需求。原子力显微镜造价又很高，平均造价在10万元以上。而积木显微镜的造价不会超过千元，两者相差100倍。这次暑期学校的课程，目的是启发大学生能够面向中学和中学生，设计出他们适用的原子力显微镜，作为课堂教学的道具。
值得注意的是，在评选过程中，主办方还特意邀请了包括清华大学附中在内多所中学的8名高中学生作为评委。中学生们看得很仔细，并逐一对大哥哥大姐姐的作品进行了点评。“有些作品操作性不太强，高中生使用桌子经常晃动，应该加上防震措施。”清华附中的高二学生欧阳楚可说。还有一些中学生认为，这些“积木电子显微镜”虽然很便宜，但维护条件很差，长期使用的保养、精确度校准都有问题，“我们总不能用一次就扔了吧?那成本还是很高。”
几乎所有中学生都告诉记者，此前他们没有接触过原子力电子显微镜，学校的光学显微镜只能放大数十倍，看看细胞壁、细胞液而已，“这里的大学生哥哥说，他们做的显微镜甚至能看到细胞质中的折叠蛋白、核酸表面结构，这对我们来说就好比发现了新的世界。”
成熟作品将推广到高中
顾学雍也坦言，由于时间有限，大学生们制作出的积木显微镜只是初具模型，离真正的实用还有不小差距。记者在探访时发现，一些积木显微镜在实际观测的时候还会出现一些小故障，比如有的不能自动探测，有的器件位置不对等。顾学雍透露，课程结束之后，大学生还可以继续修改作品，当作品成熟完善之后，将推广到部分高中学校。
顾学雍说，虽然评比结束，但是这个制造1000元以下原子力显微镜的活动会继续下去，中英两国的大学生们继续通过互联网推进这个项目，进一步完善他们的成果。
此外记者了解到，部分积木显微镜的实践者还将获得海外交流的机会。4位中国大学生和4位英国大学生将获得推选参加明年的一项全球活动。“原子力电子显微镜项目到时候会向全世界发布，让全世界的人们按照我们的设计来制作便宜的原子力显微镜。”弗朗索瓦教授说。而在中学教师看来，这无异于一次新的教学技术革命。
