马伟霖：你也应该在家攒一台扫描隧道显微镜_新浪财经

专题：2023年CC讲坛

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第56期演讲2023年10月21日在北京举行。来自中国科学院大学研究生知名科技区UP主马伟霖出席，并以《你也应该在家攒一台扫描隧道显微镜》为题发表演讲。

　　以下为演讲实录：

　　大家好。

　　我手提箱里装着的是一台我自己制作的一台扫描隧道显微镜，当然对于非专业人士的话，他可能不知道这是一个什么东西，但是实际上我身后这张能够表现出石墨原子特征的图像，正是由我这台显微镜所拍摄出来的，或者说得更为严谨一点，是由它来扫描出来的。

　　扫描隧道显微镜是1982年被发明出来，然后获得了1986年的诺贝尔奖。我们前辈在制造原子弹的时候，他们并没有这样的一个设备，感谢科技的一个发展，让我一个小伙子在自己家里就可以造出这样一台设备。

　　我叫马伟霖，今年是23岁，现在是中国科学院大学的一名研究生。当然除了学生的称呼，在科技板块方面用一个当下比较时髦的叫法，我还是一名KOL。自从2014年以来，我就开始乐此不疲地分享自己关于DIY方面的一个视频，并且发到网上直到现在。2021年，我开始着手设计我自己的一个扫描隧道显微镜，并且经历了一共3.5次的一个迭代。每当我的显微镜有了一定的进展，我就会制作一期视频来进行展示和讲解，也收获了不错的一个播放量和关注度。

　　到现在其实我已经分不清到底是我因为做视频才把显微镜给坚持下去，还是说我做了显微镜，然后顺便做了这个视频。但是不可否认的是通过自媒体的渠道在展示了我自己成果的一个同时，也收获了来自全国各地专业人士的建议，也让更多的人看到了我的作品，也让我来到了现在的舞台上。我所展示的这台显微镜是第三代，也就是我最新做出来的一代。

　　在我们高中的时候，我们在生物课上我们都学过，生物是由细胞组成的。甚至有可能我们在这个实验课上，我们也亲眼看到过细胞。制造业的发展让我们今天可以在网上买到，能够看到细胞的一个光学显微镜。但是如果我想更进一步，我想看一看原子能？在此之前简单的调研了一下，最便宜的扫描隧道显微镜，也要花上5万元左右，而且通过普通的渠道你可能还买不到。那么我手中的这台只需要2000块钱的一个成本。如果可以的话，大家是不是也想自己在家里造这么一台扫描隧道显微镜呢？

　　在我的视频评论里面有这样一条评论，它说，“这个人的爸妈肯定是搞物理的。”但是实际上和大部分的家庭一样，我的父母不仅不搞物理，而且可以说甚至和学术都是毫无关系的。对于一个在小县城长大的孩子来说，我对科技方面的一个启兴趣启蒙似乎是比较早的。小的时候我喜欢拆东西，只要有螺丝能拧的东西都会被我拆开来打开看看里面到底有什么秘密，但是最后的结果都是非常的统一，装不回去。不过自从我接触互联网之后，似乎是接触互联网——包含着数不尽的数据知识文化的一个信息宇宙之后，情况似乎发生了一些变化。离开了互联网的生活，说实话，对于我自己来说，我是没有办法去想象的。

　　我想从我自己的亲身经历和我的体会出发，和大家探讨一下年轻人应该如何利用互联网，互联网又会如何影响我们这一代人。父母除了提心吊胆担心我们会成为网瘾少年，还能为我们做什么？我第一次接触互联网是在2008年，也就是我8岁的时候，我在我的父母的帮助下，我注册了QQ，注册了邮箱，甚至还玩起了当时风靡小朋友的这个儿童网游——摩尔庄园。

　　到了小学六年级，我开始利用互联网自学了HTML。当然没有什么目的，我就是觉得很好玩。HTML它是一个用于构建网页的超文本标记语言，因为我当时通过与互联网接触的一个媒介就是通过网页，所以说我也想自己在互联网上有一个自己的小天地，这个兴趣一直持续到我的初中时期。

　　初中的时候我拉了几个小伙伴，建立了当时属于我们自己的一个网站和论坛，甚至还经营起来业务，当然这个“业务”带了双引号。那时我们的业务是自娱自乐，当然也没有人光过了。而且论坛也受限于当时的一个经济实力，用的是免费服务器，性能不太好，所以说也没有继续搞下去。但是捣鼓这些东西真的非常的纯粹，一半的原因是因为很好玩，另一半的原因是像一个专业人士一样，会让自己特别的有成就感。这就是互联网给我当时所带来的一个最原始最直观的感受和收获。

　　除了HTML我还不是很满足，我还想自学编程，我记得当时是在搜索引擎上搜索“入门编程语言推荐”，那么当时在一众的编程语言里面看到了 Visual Basic，这是微软开发的一个基于Basic的可视化的编程语言，我买了一本这么厚的《VB从入门到精通》，然后就开始看，当然看也看不懂，那十句有九句都是看不懂的，但是我还是乐此不疲。

　　到了高中我做出了第一个正儿八经的软件。虽然从出发点来看，其实也不是特别正经。起因是一部来自HBO的一个剧集叫《硅谷》。它里面讲的是一个天才程序员开发了一个能够颠覆世界的压缩算法，然后我就想把这个只存在于剧中的软件给它给复刻到现实里面来，当然只是一个外观一个UI，但压缩功能用的是现成的一些算法。有时候有些观众或者是学弟学妹们会问我，说我是怎么学的？对于我来说，其实我到现在，也不能说得很清楚我到底是怎么学的。就像大家都一样，有时候我会说我是因为兴趣。我会被有意思的东西吸引进来，然后一头扎进去。像我做视频是这样，我做DIY也是这样。

　　高中毕业，我开始通过慕课来自学c语言和单片机。也就是这两个小技能让我大学进去刚军训的时候，我就进到了学院的实验室。开始实习，开始学习，接触一些可能科研方面的内容。那么到了大二的时候，物理课上的课后作业，让我了解到了扫描隧道显微镜。我查资料发现这种高分辨率的仪器居然是能可以DIY的，然后在看了资料之后，我觉得难度还可以。然后在了在一年半之后，也就是我大三的时候，我决定开始正式制作我自己的一个扫描隧道显微镜。

　　通常来说，传统的光学显微镜是没有办法看见原子的。这是因为原子太小了，我们拿可见光最短的紫光，波长为400纳米的紫光为例，对比金原子只有0.29纳米。很明显原子是没有办法让我们可见光发生一个偏转的，也就是说我们可见光也没有办法探测到原子。那么扫描隧道显微镜它是怎么样让我们看见原子的？想象一下，我们有一根非常尖的探针，最好它的针尖只有一个原子，然后我们再拿来一块石墨的结构。它是六边形的一个结构，我们给这个石墨给它添加一个毫伏级别的电压，通常来说我们会给零点零几伏一个电压，然后我们把探针放在石墨表面一纳米左右的距离。然后，初中的物理学告诉我们，虽然说它们之间有一个电压差，但是空气是一个绝缘体，它们之间是不会导通的，更何况电压还这么的小。但是实际上由于量子隧穿的效应存在，它们之间会存在一个非常小的电流，叫做隧穿电流。这个电流的大小通常是在皮安到纳安量级。也就是小数点后面有9个0，1安这么一个大小。隧穿电流的大小和它的距离成一个指数关系。我们让探针在石墨表面移动，观察隧穿电流的变化，我们就可以知道石墨表面的一个形貌了。电流大的地方就表示这个地方有一个凸起，电流小的地方就表示这里有个凹陷。

　　那么其实这里有两个难点，第一个难点是怎么样才能把探针和石墨送到一纳米这样的一个距离。第二个难点是要怎么控制探针，实现一个这么微小的移动。在最著名的一个DIY扫描隧道显微镜的一个项目，是国外的一名叫Dan Berard的一个人开发的。他通过一个三轴的支撑结构，用了一种非常巧妙的机械比例缩放的原理，实现了一个纳米级的分辨率。

　　那探针怎么移动呢？在1999年的一个专利，专利的发布者也是DIY扫描隧道显微镜的始祖，John Alexander的他这个专利里面提到了一种用目前售价仅为几块钱的压电蜂鸣片来实现纳米级三维移动的一个方案，而且这个方案就可以拿来做我们探针的一个扫描头。在寻找到关键问题的解决方案之后，我很兴奋，很快就开始了我的制作。

　　那么按照Dan的结构，我借了学校的洗床来加工铝块，然后自己设计焊接电路，然后买了蜂鸣片，然后以及一些其它的材料。很快的我就把这个简陋的一代机给它搭了起来。这就是我的一代机，虽然看起来有点简陋，但是从原理上看又好像找不出什么问题。不过当我开始正式的一个测试的时候，问题就来了。第一点就是我这个设计是一个全手动的操作，这就让整个运行的过程非常的繁琐。那么你想观察到一个疑似的隧穿电流，我是说疑似的隧穿电流都需要花上很多的时间，并且你还得看你的运气好不好。

　　虽然说没有什么建设性的成果。但是我还是把我的制作过程来拍成了视频，然后并且发布在了这个网站上。出乎我意料的是我这个视频比我想象中的还要受欢迎，并且有非常多的专业人士在评论区提出了非常具有建设性的意见，比如说指导我怎么去隔绝电路里的噪声，指导我怎么去优化我的整个电路了，如怎么去改进我整个的一个减震系统，那么在受到鼓舞的同时，也让后来的改进有了更多的方向和可能性。

　　如果用产品迭代的理论来评价一代机。它虽然说它不仅看起来很简陋，也没有建设性的成果。但是它并不是一个简单的模仿，我终于找到一个适合自己，而且能够全面锻炼自己的一个平台。有了能够发挥我创造力的一个平台，这就好比打造了一个属于自己的小船，可以在知识的海洋里自由的荡漾，让我切身体会到了上网冲浪的一个乐趣。

　　紧接着我在一代机的基础上进行了重新设计，在增加新功能的同时，我把以前的问题进行了一个查漏补缺，然后参考了一篇论文，把我显微镜的整体的一个尺寸缩小了。然后参考了一个那叫Nano Surf的一个公司的显微镜的设计，我把我的样品台改成了一个磁吸式的样品台，添加了步行电机，然后就实现了整个控制的一个自动化。虽然说，核心的原理相较于上一代没有什么变化，但是整个设计下来就是更加细腻了。零部件的加工也是从手动的加工，就是我纯手工打造，改成了CNC的一个加工。

　　在经过了一代机的积累，我对显微镜的设计也有了一定的把握，于是我决定把显微镜作为我的毕业设计，本科的毕业设计，然后二代机的开发持续了大概有半年，这半年我基本上就是在做这一件事情。在放寒假的时候，我也把我这些东西给打包回家继续搞。那么在长期为了这么一个目标努力的时候，我突然有了一种感觉，当朝思暮想的结果真的出现在我面前的时候，反而是没有那么兴奋的，那么我觉得这个结果它就应该出现在那里。

　　那么二代机测量出了隧穿距离对隧穿电流的一个关系曲线，然后偏压曲线以及一些略有规律的成像，当然这个略有规律只是我总结的。但始终是没有扫出原子的一个特征。我知道这些数据对于我来说可能已经有一定的说服力，说明我这个显微镜是可行的，但是没有最终扫出来，那个图像是没有办法获得所有人的认可的。就像是我在毕业答辩的时候，有老师会质疑说，我显微镜捕获的根本就不是隧穿电流。虽然最后还是成功毕业了，也获得了一些奖项，后来也是保研到了我现在这所学校。但是在毕业之后，我觉得还是要继续去开发下去，直到看到那个特征为止，很快便投入到了迭代的工作之中。

　　下一次的开发我称之为2.5代，为什么它不叫第三代呢？因为它虽然是在第二代基础上，为了解决电机发热的问题而开发的，但是没有最终完成。这是因为我当时在寻找一种低发热的运动控制方案，最佳的选择是一种叫压电马达的东西，这种马达几乎没有发热量，并且能够达到纳米级的一个定位精度。各方面都很好，唯一的缺点就是我买不起。

　　那么当2.5代机设计完成之后，我甚至已经开始准备测试了，那时候我在b站突然刷到一个视频，非常有意思的视频是一个小人被放在一个平台上，被带动着上下前后左右移动，然后标题是开源压电滑台，我当时看到这个视频我眼睛都亮了，这不就是我想要的东西吗？

　　然后在阅读了原论文之后，因为这是一个论文的成果展示，我就立马决定把压电滑台用在我显微镜里面。然后2.5代机就先暂时搁置一下，我就开始第三代的开发。当然第三代也是基于我2.5代的一部分来进行开发的，那么也是经过了结构设计、电路设计、软件设计之后，我就开始扫描这个石墨表面，刚开始显微镜是只能扫到一些零星的小点，但是不能确定它是不是就是石墨的原子特征，但是对于我来说，这也是鼓舞人心的。虽然说过了经过了几个月，但是我还是记得我第一次扫描出清晰的原子结构是在深夜。当时我是在宿舍里做了测试，我需要等我的舍友们都睡觉了，然后把整体的环境振动减少到最小，才有可能扫描出好的一个结果。

　　那么在扫描出石墨原子的一个特征之后，我有一种很奇妙的感觉，当时是深夜我既冷静，但是又很兴奋。像之前一样，我把我的显微镜做成了视频，但是和之前不一样的是，这次我可以完整的讲述来龙去脉了，然后展示令人信服的结果。

　　为了让观众能够理解我在做什么，我需要对我做的东西、我做的内容进行一个拆解、重组、简化，用一些通俗易懂的语言来阐述的工作。那么这一过程与一个世界上公认为最有效的学习方法之一，费曼学习法不谋而合。当你能够以简单明了的方式来解释一个概念的时候，这通常意味着你已经真正的掌握了它，我从中也是受益匪浅。

　　大概就在上周我把我显微镜的复刻的一个手册写了出来，我希望我的DIY不仅仅是自娱自乐，我也希望让更多的人能够亲自感受到微观世界的一个魅力。

　　事实上，这些年我一直都在把我的心得体会编写的工具都整理发布在互联网上。我显微镜的项目已经在GitHub收获了800+的一个星标。因为我很多知识都是从网络上从互联网上获得的，我的这些想法也是从互联网受到了启发，我想以这种方式反馈给互联网。其实有很多遗憾，我不能把这些年从大家那里获取的建议和鼓励帮助都一一用文字描述下来，但是我依然希望把这些无形的东西给传递下去。

　　就在上个月浙江的一所高中的高中生，他们联系到了我，他们说希望复刻我的显微镜。他们还得到了他们学校的老师和家长的大力支持。扫描隧道显微镜的发明者Binnig和Rohrer，他们在1986年就凭着显微镜拿到了诺贝尔奖。那么到了2023年，这一成就就连高中生都有信心复刻他。有时候我会想门槛降低的原因是什么？可能是互联网的发展打破了信息壁垒，也可能是制造业的发展，让一些元器件一些工艺，一些制造工艺的成本降低。我在刷视频的时候，也能看到非常多和我一样的科技爱好者，做着自己热爱的DIY，以视频作为媒介，能分享自己的喜悦或者认同感的同时，也能让后来者激发出兴趣。我想把视频作为一个DIY总结，是当下让自己前进的一个好方法。

　　互联网的魅力不仅仅在于它的无边无界，而是总有新的内容会吸引年轻人的注意力，调动他们的学习主动性，充分发挥个人的创造力，而他们也将最终引领时代的潮流。谢谢大家。