假设有一根足够细的针，这根针可以用来干什么？ 第1页

我说个每个人都用过的: 硬盘的垂直写入磁头.

如图, 上面这个是之前的水平记录磁头, 磁头下方缝隙处磁力线从下面的磁介质穿过, 在磁头线圈上加上电流, 下面的磁介质被磁化, 就形成了磁记录, 磁记录的方向和下面的磁介质平行. 从几十年前的录音磁带到十几年前的硬盘, 都是这个原理.

下面这张图是垂直写入磁头的原理. 如果把磁头的一边做得非常尖(尖端只有几个原子宽), 另一边做得相对宽阔, 这样从尖端出来的磁力线基本就是垂直向下的, 可以在下方磁介质上磁化出垂直的磁记录; 另一边因为宽阔, 磁力线分散, 下方磁介质处的磁感应强度达不到翻转阈值, 不会造成误写. 这样就把存储密度提高了若干倍.

硬盘上有数不清的黑科技, 除了2006年前后的垂直写入, 90年代的巨磁阻(读取)磁头, 悬浮式轴承, 盘体充氦, 还有将来的热辅助/光辅助写入技术等等. 可惜这么先进的东西, 似乎末日已经不远了...

我来给几位大佬再补充一点有趣的东西吧……

类似于扫描隧道显微镜（STM），原子力显微镜（AFM）也是利用非常细的针尖与表面间的相互作用来对于样品表面的高低起伏/力学性质进行表征的一种仪器。

但与STM不同的是，AFM可以用不同的工作模式（接触、非接触和轻敲），测量更多的作用力/表面特征，比如表面磁性结构或者表面的静电（磁力显微镜/开尔文探针力显微镜）等等……这给了它更多的可玩性（雾

下面介绍三个基于AFM的有意思的工作（时间有些久了，如有错漏请各位不吝指正）：

1. 要有针

有AFM经验的人一眼就能看出AFM图的扫描方向是什么，如图1a红圈所示，这种向单方向的线状图像是因为扫描速度过快/局部起伏过大/针尖不够尖而导致的（原理见图1b），而很多商用AFM的针尖其实是个金字塔形的（图1d）。

总之，AFM的针尖的尖锐程度对于某些特别陡峭的样品还是比较重要的（如图1c）。而且用传统方法做的针尖很容易被撞坏（至今仍然是这样，问问做AFM的朋友，今天又撞坏/摔坏几个针尖了→_→），而且事实上对于AFM针尖的具体结构不够“well define”。1996年，Smalley等（一作是戴宏杰）报道了使用碳纳米管来让AFM的针尖真的成为“针尖”[1]。如图2所示，先把AFM针尖在胶带上蹭一下让它沾上一层胶，之后再用这个针尖去粘多壁碳纳米管束，便可以制备这种尖端沾了一根碳纳米管的“针”的AFM探针。不仅如此，碳纳米管受力情况下可以弯曲，避免了传统针尖易被撞坏的问题。

使用这种针尖便可对一些高低起伏非常之大的表面结构进行表征。（当然其实吧，一般AFM会拿来看的东西高低起伏没有这么过分……至少我知道的……）图3a是使用传统的金字塔形针尖对镀了TiN的铝膜的硅片表面400 nm宽、800 nm深的沟道进行的表征，这种假象是图1c的一个完美的例证，图3b则是使用该沾了碳纳米管的AFM针尖的表征结果。该种针尖对于其他种类的样品的表征效果也好于传统针尖，且在多次crash之后仍然没有损坏。

第一篇工作的二作博后去了哈佛Lieber组，1998年CVD方法合成碳纳米管的工作出来后，他们在AFM针尖上加上一点金属催化剂让碳纳米管原位从AFM针尖上生长出来，避免了成功率很低的粘碳管方法，而且可以长单壁碳纳米管（针尖更尖了）又发了Nature[2]、JACS[3]……这个体系至今成就了一整个小领域……因为碳管修饰尖端比较容易，还可以做管壁上的修饰等等等等。

2. 单分子力谱

@钟无艳 的答案已经提到了使用STM的针尖做单分子电学，利用AFM的接触模式，你可以做单分子力谱。方法几乎是一样的，将高分子做成稀溶液分散在表面上，随后用AFM的针尖来“钓”这些粘附在表面上的分子，重复不知道多少次便可以总结出有效的数据（一做一晚上，几率大概是用小网兜在海里捞鱼……）。该方法早期被用来测一些高分子的单链力学性质，并研究侧链基团的影响等等……此处给个超分子化学里的应用：

2013年，清华大学张希教授实验室利用单分子力谱对于一个含开环冠醚结构和电子给体、受体的折叠体（foldamer）的力学性质和折叠状态进行了表征[4]。更有趣的是，通过加入与开链冠醚作用的钾离子，便可进一步调控该折叠体的折叠状态。

西北大学Stoddart教授组也有一篇，参见 Dynamic force spectroscopy of synthetic oligorotaxane foldamers

3. 如何测量单个分子之间的作用力

使用类似的方法，我们还可以用AFM比较直观的测量分子间作用力，比如用AFM分开抗原抗体，两条互补的DNA链，一对儿碱基，或者是主客体相互作用的二茂铁和环糊精等等。此处举一个跟第二部分比较相关的例子，Kimura等人使用了分别表面修饰了18-冠-6和氨基的AFM针尖和基底，通过不断使针尖与基底接触再拉开并测量力的变化计算出了单个铵根离子与18-冠-6之间的非共价相互作用力[5]。加入钾离子与铵根离子竞争则可以大大减弱这种相互作用，加碱使铵根失去质子也可以破坏这种相互作用。

不过问题在于，不管针尖多尖，其上仍然可能是多个小分子共同与基底上的多个小分子同时作用。通过多次实验并统计结果，使用自相关函数方法，他们从数据中提取出了重复模式，这种60 pN的差值就是单个18-冠-6与铵根之间的作用力。

参考文献

1. Dai, H., Hafner, J. H., Rinzler, A. G., Colbert, D. T., & Smalley, R. E. (1996). Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy. Nature, 384(6605), 147. 链接：Nanotubes as nanoprobes in scanning probe microscopy
2. Hafner, J. H., Cheung, C. L., & Lieber, C. M. (1999). Growth of nanotubes for probe microscopy tips.Nature,398(6730), 761.
3. Hafner, J. H., Cheung, C. L., & Lieber, C. M. (1999). Direct growth of single-walled carbon nanotube scanning probe microscopy tips.Journal of the American Chemical Society,121(41), 9750-9751.
4. Liu, K., Zheng, X., Samuel, A. Z., Ramkumar, S. G., Ghosh, S., Tan, X., ... & Zhang, X. (2013). Stretching Single Polymer Chains of Donor–Acceptor Foldamers: Toward the Quantitative Study on the Extent of Folding.Langmuir,29(47), 14438-14443.
5. Kado, S., & Kimura, K. (2003). Single complexation force of 18-Crown-6 with ammonium ion evaluated by atomic force microscopy.Journal of the American Chemical Society,125(15), 4560-4564.

谢邀，

回答这个问题我内心非常激动。

因为在不同时代，受限于当时的科技背景，人类所能意识到的“细”是不同的，甚至人类对这个“细”的需求也因为对世界认识和探索深度的不同而不断变化着。所以，回顾人类历史上越来越细的针，就是回顾人类科学技术的进阶史，怎不让人内心激动万分？

说到“足够细”，那么我们就得有个度量的尺度。国际标准长度单位是米（m），如果拿来描述针的粗细，那至少也要用米的千分之一（10E-3），即毫米（mm）来表示。

有关物理学方面的回答 @小侯飞氘 已经谈了很多，我的专业是外科，就从医学角度和大家分享一下吧。接下来，让我们使用科学计数法，以10的负N次方为顺序，来描述一下人类历史上越来越细的针都创造了哪些重大的进步：

1，10的负三次方米（1mm）

通过目前的考古发掘，人类最早的有孔缝合针出现在公元前三万年的新石器时代，最细的可以达到1毫米，材料主要是动物骨头（包括鱼刺）。从一些古人类遗骸证据看，这些兽骨磨成的针很可能平常用于缝合兽皮，应急时用于缝合伤口。

随着冶铁技术的普及，一种更加有韧性的金属为外科缝合针提供了新的材料选择。古罗马医学家盖伦（Claudius Galenus , 129～199）曾经在著作中记述自己为角斗士缝合断裂的肌腱。

因为罗马最不缺的就是角斗士和军人的战伤，所以盖伦也积累了大量的实践操作。他的一些外科论著成为后世外科医生的操作指南。当然了，在麻醉技术出现之前所有手术操作都是伴随着患者撕心裂肺嚎叫的。相比截肢、疝修补、清创等会引起剧痛的操作，作为手术结尾的皮肤缝合反倒是最不疼的环节。

2，10的负四次方米（0.1mm）

自从文艺复兴开始，人类自然科学的各个学科，都取得了长足进步，科学和技术开始呈现井喷。

随着人类迎来工业革命的曙光，精密金属加工逐渐成熟，针可以做得越来越细。与此同时，因为观察生物体细微结构而催生的体式显微解剖镜技术也已经很成熟。

同时，随着生物学的发展，人类对微生物的认识也进一步加深。英国的约瑟夫·李斯特男爵在美国内战期间通过大量的战地医院观察认为手术室和病房的空气以及外科医生的操作都可以使引起感染的细菌发生传播。由此直接催生了一门新的技术——无菌术。

解剖放大镜（显微镜）让人们可以用更细的针去缝合更加细微的结构，无菌术可以将外科感染的概率大大降低，避免细菌把好不容易修复的精细结构全给吃干净。

这一时代，法国医生亚历克西·卡雷尔（Alexis Carrel）开创了显微血管缝合技术，为血管修复和后来的断肢再植乃至于器官移植奠定了基础。因为如果不连接血管，就算把皮肉骨连起来，断掉的肢体也会因为没有血液供应而“饿死”。

这种技术更是被心灵手巧的中国医生玩出了花。目前国内断指再植成功率已经是世界范围内最高的，甚至中国人民解放军 89 医院一项断肢再植手术，历时 17 小时完成，让6段，共9节断指全部存活，挽救了一个人的右手和劳动力。

这一切实现的基础其实就是用于缝合血管的显微缝合针和缝合线。要知道，人手指远端的动静脉口径连1毫米都不到，一般动脉内径能有个0.5mm医生们就要谢天谢地。所以要想缝合这么细小的血管，就只能用细得多的针和线：

正是有了这足够细的针，那细如发丝的血管和神经才有可能被重新连接起来，只是苦了手足外科医生，要在显微镜前端坐好几个小时：

3，10的负五次方米（0.01mm，即10μm）

这已经几乎超出了人眼可以识别的范围，10微米大致是一个真核细胞的宽度。而如此细的针在刺入人体组织的时候几乎是不会引起痛觉的。所以这就为惧怕打针的朋友带来了福音——微针（贴片）。国内有些媒体称之为纳米微针其实是不恰当的，因为真正的纳米级别还在后面，微针的针头粗细是10-100微米这个级别的。

上图所示的微针贴片是一个边长1厘米左右的正方形，上面密密麻麻布满了121个锥形注射针头。锥形的底部是药囊，在刺入皮肤后输注药液。有一些微针材料甚至是用可吸收材料制成，使用起来非常方便。未来有望用于糖尿病、皮肤年轻化和其他慢性病的给药。临床试验中的患者表示和普通的医用胶布感觉没什么两样，没有刺痛感。

慢性病最重要的就是规律用药。但是因为反复注射引起的疼痛让患者反感甚至抗拒，就会引起依从性的大大降低。最典型的例子就是糖尿病，需要不断在腹部皮下注射胰岛素，临床上很多病人就是受不了一天一次甚至几次的戳肚皮，有意无意忘记注射。

所以微针的发明对于很多慢性病患者的意义不言自明。

4，10的负六次方米（0.001mm，即1μm）

这个级别就已经比细胞小的多了，可以对细胞里面的结构（亚细胞结构）进行一定操作。

1996年7月5日，人类第一次克隆了动物——一只绵羊，多莉。

平常我们可以用注射器把药物送进血管，而有了这种显微注射针，我们可以把动物A的体细胞核放进动物B的卵细胞（已经事先移除了原有卵细胞核）里面，制成一个特殊的受精卵。再把它移植到代孕动物子宫中，从而克隆一个一模一样的动物A。这就是动物克隆技术。

甚至在此之前的1978年，人类第一次利用显微注射针向卵细胞内注射精子，完成人工体外授精。这就是后来称之为试管婴儿的技术。

目前，这项技术已经非常成熟，圆了许多不孕不育患者拥有孩子的梦想，挽救了很多濒临破碎的家庭。而实现这些技术的基础就是细到完全看不见的显微注射针头——它只有大约7微米。

5，10的负七次方米（0.0001mm，即0.1μm）

这个级别大致是常见细菌的大小。

我们都见到过荷叶上的水珠，无论泡在水中多久，荷叶的表面都不会被沾湿。这是因为荷叶表面有许多直径10微米左右的小凸起，而这些小凸起的表面还有几十纳米的小“针头”。这种粗糙表面结构就是荷叶超强疏水性的来源。

细菌的粘附、增殖与侵袭都离不开水。所以这种粗糙的超级疏水表面就非常不利于细菌生活，具有抑菌作用。

事实上这种超级粗糙表面已经被合成出来。所以可以理解为，这种材料的表面布满了无数极细的针头（几十纳米），连水和细菌都无法附着。

这种材料不仅医用领域大范围应用，连日常生活领域也已经开始采用该技术制造防水衣物。例如“荷叶服”：

@小侯飞氘 既然大佬提到的扫描隧道显微镜，我也补一个类似的原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）。搬运自wiki百科

AFM的关键组成部分是一个头上带有一个用来扫描样品表面的尖细探针的微观悬臂。这种悬臂大小在数十至数百微米，通常由硅或者氮化硅构成，其上载有探针，探针之尖端的曲率半径则在纳米量级。当探针被放置到样品表面附近的地方时，悬臂上的探针头会因为受到样品表面的力而遵从胡克定律弯曲偏移。在不同的情况下，这种被AFM测量到的力可能是机械接触力、范德华力、毛吸力、化学键、取向力、静电力、磁力（见磁力显微镜）卡西米尔效应力、溶剂力等等。通常，偏移会由射在微悬臂上的激光束反射至光敏二极管阵列而测量到，较薄之悬臂表面常镀上反光材质（ 如铝）以增强其反射。其他方法还包括光学干涉法、电容法和压电效应法。这些探头通常由采用压电效应的变形测量器而制得。通过惠斯登电桥，探头的形变可以被测得，不过这种方法没有激光反射法或干涉法灵敏。