原子分辨率斷層攝影理論，電鏡影像平面上
的原子波其不同角度之「相位」及「相位速率」的關係和天文學哈伯方程式中
星球距離及遠離我們的速度的關係是類似
大爆炸發
生後，星球以不同速度遠離我們(紅移)，
大爆炸斷層攝影學：三維原子解析之新途徑
現代穿透電子顯微鏡雖具有解析原子的本領，但都是二維投影之訊息，材料內
部原子真正三維結構無法直接由影像解讀。清大工程與系統科學系教授陳福榮
與Professor Van Dyck (University of Antwerp, Belgium)合作研究，發展了與天
文物理學中哈伯方程式類似的理論，利用在電子顯微鏡影像平面上原子波中的
訊息決定原子在三維空間的位置。本項研究成果已於台灣時間六月十四日獲國
際頂尖期刊「自然（Nature）」雜誌刊登。本成果係由國科會奈米國家型學研
計畫支持。
為能了解和掌控材料和生物蛋白質的性質和功能, 解析出它們的是三維原子結
構是主要的關鍵。目前應用於材料的斷層攝影術，必須要由將近一百多個投影
方向的影像來重構，並且無法達到原子解析的水平。而應用於生物的冷凍電鏡
斷層攝影術則需要由約3,000 電鏡影像中挑出約37,000 顆蛋白質, 利用約
7,000 電腦叢，運算約200 天來重構出三維之結構。目前重構出結構最好的解
析率亦無法達到原子分辨率的水準。
本研究受到天文物理大爆炸學說的的啟發，發展出可由僅一個投影方向的電子
出射波重構出三維的原子結構的「大爆炸原子分辨率斷層攝影學」。大爆炸發
生後，星球以不同速度遠離我們(紅移)，天文物理學中的哈伯方程式給出星球距
離及遠離我們的速度是線性關係，科學家藉之以推測出宇宙誕生(大爆炸)之時間
原點。陳福榮說，而在我們發展之原子分辨率斷層攝影理論，電鏡影像平面上
的原子波其不同角度之「相位」及「相位速率」的關係和天文學哈伯方程式中
星球距離及遠離我們的速度的關係是類似的。因此我們稱之為大爆炸斷層攝影
學的哈伯方程式，用之以推估原子在三維空間的位置，量測之精準度約為
0.2Å。
透過此理論的成果，陳福榮指出，在不久之未來具有原子分辦率的穿透電子顯
微鏡將可以直接由實驗結果直接顯示出類似「阿凡達」電影中三維原子結構
圖，而非僅是二維的投影圖像。
陳福榮表示，雖然目前在我們的研究中，是利用具結晶性雙層石墨烯的出射波
來驗證大爆炸斷層攝影理論的精確性，但此理論極具有可擴展應用於非週期結
構的材料與蛋白質的潛力。在未來材料分析和蛋白質原子結構之解析會有革命
性的應用。
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