一本书的价值不能从其封面来判断，而某种材料的价值却往往可从其表面来推知。现在，随着一种电磁辐射反射束技术的应用，加利福尼亚大学劳伦茨 · 伯克利实验室（Lawrence Berkeley Laboratory（LBL）at the University of California，Berkeley）的物理学家能提供关于材料表面性质的更精确数据。

在材料科学领域内，表面意味着某种效能，因为正是材料最外层的薄薄的分子层（两种材料间则为界面）决定着该种材料能否和其他物质作用和这种作用发生的快慢程度。了解这种潜藏着众多物理和化学过程的相互作用过程乃是当今高技术的核心内容之一。两个最浅显的例子是催化和腐蚀，它们曾被认为是表面作用中“好”和“坏”的例证。

催化是材料变性的能力，这其中特别是指加速变性的能力（甚至能快达数百万倍），这是一种不需要消耗自身材料的化学反应。美国全部产品的约20%是使用催化剂生产出的，其中涉及到从制造过程到能量和食品的生产、环保产品以至健康卫生护理用品的生产等各个产业部门。和催化形成对照的是腐蚀，在腐蚀过程中，材料表面由于和其他物质的相互作用而耗损。据估计，在美国因铁（仅指与氧作用）的腐蚀所造成的损失，每年就高达数十亿美元。

催化和腐蚀仅仅是表面相互作用的两个例子。其他有重要经济价值的表面作用过程包括薄膜涂覆；一种物质的分子与另一种物质分子的聚合作用；外延生长；电子仪器的表面处理等等。正是基于对表面相互作用的逐步了解，科学家们才得以深入、精细地揭示各种材料表面及界面的本质，并在此基础上控制表面相互作用，使之合乎人类的需要。

近年来，许多强有力的器具和技术已陆续推出，从而使鉴别表面分子并观测这些分子在作用期间排列变化的形态成为可能。由于表面研究技术几乎无例外地都需要相交界面的一面是固体，另一面是真空态，这种苛刻条件激起了更大的科学兴趣，尽管这种兴趣目前主要限于实验室范围。

劳伦茨 · 伯克利实验室（LBL）材料和化学组的一位物理学家沈幼龙（Y. Ron Shen）已经研制了两种用于探测表面和界面分子排向（Molecular orientation）的非线性光学技术（non–linear optical techniques）。运用这两项技术可研究诸如气 - 固、固 - 液、液 - 气和固 - 固界面的作用过程。对这些界面的研究不同于固体 - 真空界面，而具有实周价值。

沈的这两项技术被称为“第二谐波产生”（second-harmonic generation）和“和 - 频产生”（sum–frequency generation）。“第二谐波产生”技术可显示表面分子的排向，“和 - 频产生”技术则可表征表面分子中原子的特定基团的排向。这两项技术可使科学家们循着表面相互作用的动态特性，鉴别和监测在表面分子相互作用时特定分子的活性。

就对表面的探测而言、光学技术由于具有无损性和广适性（任何地方只要光线可及都可应用）的优点而备受青睐。先前的技术存在的问题是不能有效地识别某一材料表面的分子和该材料表面之下的其余成分。而沈的光学探针通过使用反射的“第二级辐射”（Second-order radiation）可解决这一难题。当激光束投射到材料上时，它能引发该材料内的分子产生振荡，这些振荡着的电子产生再辐射，这种再辐射能按其频率和振幅依次成束一一第一、第二或第三。按照物理学家所谓的“对称理论”，第二级辐射在分子表面仍存在，而在表层以下的部分却基本上消失，从而形成了某种反对称，即在这一排列中，对准某一方向的每一双极性分子都有一个相对的定位的对应物，只是相对应的电子成分一个个消去了其对应物。第二级辐射可以是来自表面，也可以是界面，但若要作一限定的话，则表而与界面的两面是有区别的，对称由此打破。实验证实，显示出的第二级光学效应对表面是如此专一，以致共对表面分子的亚单原子层颇为易感。

“第二谐波产生”是沈首先开发的技术，这一技术利用脉冲激光的可见光产生高精度方向性的具有“第二谐波”频率的第二级辐射，它是初射入光频率的2倍。在已安排的实验中，激光束投射到已从某一角度被探测的材料表面，出射的第二谐波信号沿反射方向可检测到。由于激光脉冲短如微微秒（1秒的1万亿分之一），瞬时信号可用于冷固（freeze-frame）表面活性，以便在整个化学反应期间得以观测化学反应。

“表面动力学由于没有合适的工具，因而仍是一个尚待开发的领域”，沈说，“'第二谐波产生'探针可使人们监测到在微微秒尺度内化学反应的动态。相比较，在此之前，人们所掌握的技术是在毫秒的尺度内观测表面化学反应。”

“第二谐波产生”也可作为某种研究界面相移的探针，如从二维液体到固体的转移。沈及其同事能漂浮起一层位于水表面的脂肪酸分子，用刀口压缩这种分子（如同用扫帚清扫分、子），然后再用第二谐波探针探测分子何以能自行排“当我们压缩单层脂肪酸分子时，这一分子层会产生相移，其标志是分子排向发生了变化，而这一变化已为我们测量到。”沈介绍说。

除了能有效地观测各种界面的相移情况，沈的第二谐波探针还能用作远距离监测在极高温或腐蚀性环境中产生的化学反应。对比之下，现有的多种表面探针则需现场操作的配合，而这在上述极端环境中既困难又欠安全。

第二谐波探针很合于腐蚀和电化学过程的研究，其优点是可使研究者检测到在材料表面形成着的化合物的第一层单层分子，进而观测其后的每一过程。这一技术也可使半导体加工研究获益。沈介绍说，“我们可以根据分子从固体表面（例如金属或半导体）得出吸附或解吸作用的结论。譬如，我们可以加热一块硅片并分离氧分子以了解硅片是如何通过加热达到净化的目的。”“另外一个用途是将分子置于水表面之上，接受紫外光照射以引发聚合反应，这一过程可以监测到。我们也可以控制分子的浓度并确定浓度如何影响聚合作用。”

沈已在试验将“第二谐波产生”技术用作表面显微镜。具体步骤是将激光聚集在分子单层上，并打出一个几微米的洞。“通常情况下，要发现这一单层分子洞位于何方是极困难的”，沈说，“而我们的这一技术则能扫描整个区域，分子在哪里被清除，第二谐波信号也随之改变这是确定分子单层结构的有效方法。”

另一项神奇且更鼓舞人心的应用是沈及其研究小组的同事目前正在进行之中的一项实验，即将“第二谐波产生”技术用作计算机的三维光学储存装置。这一装置的专利证书将于1991年春季下达。它能使巨量信息储存在一块微不足道的小坯片上，具有抹音和重录功能的这一坯片极易于信息出入。将要研制出的这种三维储存装置首先使用激光，如同进入二维单层表面的编码洞模那样存入信息，继而采用将二维单分子层一层层重叠的方式储存信息。已存入的信息可有选择性地照射带有激光束（其强度小于存入时的激光束）的储存装置来检索或“读出”。采用用于读和存入信息的调频激光，这种三维储存装置甚至可具有四维功能。沈认为，“这一装置的信息存储能力是难以估量的。”

“第二谐波产生”表面探针也有其一系列的局限性：它不能鉴别或有针对性地监测特定的分子。分子振动分光仪在红外线区是需要这种选择功能的。一般而言，“第二谐波产生”技术可用于红外区的上述应用，但红外辐射的光探测器一般不能灵敏到足以在单分子层情况下有效的工作。针对这一缺陷，沈采用“和 - 频产生”技术来予以克服。两束激光同时照射在表面的同一点上，其中一束以可见光频率照射，另一束以红外光频率照射，如此就在光谱的可见光区段产生了“和 - 频”输出信号（之所以称“和 - 频”是因其频率是两束入射激光频率的总和），这一信号可用光电倍增器很方便地予以录制。同时，入射的红外射线能致使表面分子以特征频率振荡，从而产生了某种当分子分解时能对其作鉴别的吸收光谱。“和 - 频产生”对于表面探测是一项强有力的技术，因为其具有选择功能。沈的这两项技术可同时运用，理由是入射的可见光将产生第二谐波信号并与红外光束结合产生和 - 频信号。“第二谐波产生”技术侧重于分子的电子结构，而“和 - 频产生”技术则重于对分子的原子的振荡响应。

由“和 - 频”表面探针提供的选择效能对于表面相互作用，包括催化过程的研究乃是一大利器。沈的看法是，“通常，我们仅知道在催化反应中什么是初始物，什么是生成物，只是现在我们才得以在实时范围内监测整个反应过程，获知正在发生的任何瞬间反应的细节。”除了能探测材料的表面外，沈的技术还可用于研究生物分子及其在不同界面时的功能，甚至还可在医学领域一显身手。例如，和 - 频产生技术已经用于嵌于膜内的眼睛视网膜分子的研究，这种分子对人的视觉起着关键作用。

“和 - 频产生”技术是一项崭新的技术，对其应用的开发还只是刚刚起步。唯一可能影响其潜在应用性的是其对现有的红外激光的调谐能力有限，观测实时范围内的表面相互作用及其动态需使用大功率的微微秒激光脉冲。在可见光波长内用一般激光是不成问题的，但在如光谱的红外区段的更长波长范围内用一般激光就难以胜任了。

目前，沈及其同事已在红外调频方面取得了一些进展，但苦于缺乏足够强的功率和可调谐范围。沈感叹地说：“我们若能得到在100瓩时6~100微米的波长，那该是多么幸运，可现在能得到的则是10瓩时12微米的波长。”沈认为下一步最需要的是红外自由电子激光。作为LBL和加利福尼亚大学伯克利分校的一位卓有建树的科学家，他已经投身于这一装置的建造工作。对于红外自由电子激光来说，波长越长，功率越大。其电子束能同时一分为二提供“和 - 频产生”技术所需的可见光和红外辐射。由于红外自由电子激光具有高功率短脉冲的特点，它能使沈的“和 - 频产生”探针用于鉴别和跟踪在表面相互作用期间更大、更复杂分子的相位移动和变化。这些已经取得的进展可能正验证了一句古老的格言：美丽尽在表面。

[LBL Research Review，90-F-209]