2026年8月6日——通过快速来回扭转一个极其微小的探针尖端，马里兰大学（UMD）的研究人员开辟了一条新途径，用以检测材料表面在响应红外光时发生的细微变化。

在2026年8月5日发表于《Nature Communications》期刊的一篇论文中，研究人员描述了一种获取高分辨率图像的新方法，他们称之为红外扭转力显微镜，简称TFM-IR。该方法能够以接近纳米级的精度测量材料表面在响应红外光时发生的拉伸和形变——红外光是一种容易被多种化学键吸收的不可见光，会使这些化学键振动。这是第一种能够以如此高精度同时测量光诱导的垂直与水平振动的技术。

“我们克服了光学成像中一个长期存在的局限性，”马里兰大学物理学教授、量子材料中心与马里兰纳米中心成员Min Ouyang表示，他领导了这项新项目。“现代量子材料的许多非凡特性源于仅几纳米甚至更短距离内的变化。传统光学显微镜无法真正分辨这些变化。”

Ouyang及其同事开发的方法建立在原子力显微镜（AFM）的基础之上。AFM最早于20世纪80年代问世，现已发展成为一种以极高精度测量材料样品表面的标准技术。与传统显微镜不同，AFM的工作原理更像人的指尖而非眼睛。它不是通过透镜收集光线来成像，而是拖着一个微小的探针在材料表面移动，感受其凹凸起伏所产生的力。该技术能够识别小于纳米尺度的特征，在条件合适时甚至能分辨单个原子。

AFM本身只能观察表面的形貌：它能感知这里较高、那里较低，但无法提供样品的化学成分信息。为了了解材料的构成，研究人员通常用红外光激发样品中的振动，并利用AFM探针感知表面的变化。由于化学键对红外光的响应具有可预测的规律，AFM与红外光的结合可以识别特定分子的特征信号，既可以验证样品成分，也可以检测是否存在有害污染物。

“如果你用光照射样品，会产生非常轻微的热膨胀，”马里兰大学物理学研究生、这篇新论文的第一作者Yonatan Gazit说。“AFM本质上就是在测量这种热膨胀，以了解样品对光的吸收或相互作用程度。”

现代AFM设备配备一个悬挂在样品上方的尖锐探针，探针位于一根细长悬臂的末端下方。电子器件快速驱动悬臂上下运动，使探针以固定节奏轻轻敲击样品表面。这种敲击有助于探针避免卡在凸起的棱线上——那可能会损坏被研究的材料——并且通过使敲击频率与红外振动频率紧密匹配来增强灵敏度。当探针扫过表面时，材料在光的作用下发生形变并反推探针，有节奏的敲击随之发生细微变化。研究人员通过将激光从振动悬臂的顶部反射回来监测其运动，从而测量这些细微的频率变化。

这种敲击技术在测量高度方面表现出色，但在感知材料水平方向膨胀或收缩方面效果不佳。在2024年发表于《Proceedings of the National Academy of Sciences》的一篇论文中，斯坦福大学的一个团队及其同事表明，以固定频率扭转AFM探针而非敲击，可以测量双层石墨烯（由两层碳原子堆叠而成，每层均呈蜂窝状六边形排列）表面此前无法检测到的变化。他们将该技术命名为扭转力显微镜（TFM）。

受这一结果的启发，Gazit、Ouyang及其同事设计了一项将红外光照与扭转技术相结合的实验。当探针来回扭转时，红外激光的脉冲会周期性地扫过一小块材料样品。每个脉冲的部分能量被材料吸收，使其膨胀和振动。通过选择脉冲的频率——即每秒到达样品的脉冲数——探针可以分别捕捉垂直变化或水平变化，类似于频闪灯可以有选择地捕捉或定格某种运动。

作为概念验证，研究人员通过研究一小块云母的表面来测试这项新技术。云母是一种闪亮且呈片状结构的矿物，可用于制造从石膏板、轮胎到工业窑炉防火材料等各种产品。他们选择云母，既因为人们对它已有充分了解，也因为它内部的化学键指向不同方向，使其成为测量红外光诱导的垂直和水平振动的理想候选材料。

该团队证明，他们能够检测云母中的四种振动模式，并展示了通过使用不同的红外激光脉冲频率来区分水平和垂直运动。他们将注意力集中在一个小凸起上——一个仅几纳米高的云母纳米气泡——并小心地将探针从凸起的中心拖到边缘。他们将测量结果与预期的气泡应变和鼓胀所产生的水平和垂直振动模拟结果进行了比较，发现红外光最强水平和垂直响应的位置在理论与实验之间高度吻合。

接下来，研究团队将注意力转向双层石墨烯——即首次引入扭转技术的论文中所研究的同一种材料。二十多年来，石墨烯本身因其独特的电学和力学性能一直令科学家们着迷。当它堆叠成两层并且其中一层旋转一个小角度时，它就变得更加有趣了。两层形成一种所谓的莫尔材料。2018年，研究人员发现一个非常特殊的角度使莫尔堆叠的石墨烯变成了完美的电导体——这种量子效应使该材料成为超导体。

此前，研究人员对该效应的微观起源仍不清楚。由于莫尔材料只有几个原子厚，仅通过扫描其高度无法揭示产生其非凡性能的晶格细微变化。2024年引入的扭转技术为对这些原子级薄材料成像指明了一条新途径。

在这篇新论文中，研究团队检测了一个由两层石墨烯以小角度堆叠而成的样品。他们将样品的标准TFM图像与使用TFM-IR方法拍摄的图像进行了比较——两者均在完全相同的样品、完全相同的位置拍摄。标准TFM图像清晰显示了材料标志性的六边形晶格，但TFM-IR图像揭示了大量额外细节。TFM-IR不再仅仅显示晶格的形状，而是首次展示了单个六边形中不同化学键——包括单层石墨烯内部的键以及两层之间的键——如何响应红外光，揭示了底层材料独特的振动指纹。理解这一指纹及其随堆叠角度变化的方式，对于更深入地理解莫尔材料及其性质可能至关重要。

“我们的技术结合了三种在单次测量中很少能同时具备的能力，”Ouyang说。“首先，它将光学成像和光谱学带到了纳米尺度，提供接近一纳米的空间分辨率。其次，它能够区分材料内部的定向响应，使我们能够揭示传统技术无法分辨的各向异性特性。第三，它提供每种材料独特的光谱指纹。换句话说，我们的技术不仅能展示材料的外观，还能识别它是什么，并通过以纳米级精度绘制其对光的响应图谱，揭示控制其行为的隐藏物理过程。”

Ouyang和团队希望这项技术能成为未来材料表征乃至设计的关键工具，并强调它还有一个额外优势——可以在室温下工作。特别是，TFM-IR可能对半导体公司有用，这些公司正在寻找检测芯片缺陷的技术。作者表示，一种能够绘制局部化学机械特征图谱的技术可以指导先进制造新工艺的开发，甚至可能帮助研究人员优化下一代纳米级设备，包括量子传感器和光子量子计算机。