基于硬X射线自由电子激光的、原子尺度下的物质结构分析.docx

基于硬X射线自由电子激光的、原子尺度下的物质结构分析原子尺度下物质结构的几何形态是理解物质的性质和相互作用规律的基础。上世纪初诞生的"X光科技"使大量的科学观测深入到"原子"的层次。2010年美国SLAC国家加速器实验室宣布世界上第一个"硬”X射线波段（Angstrom波段）的自由电子激光光源第四代同步辐射X光源正式投入使用。一个以硬X射线激光光源取代非相干X射线光源的"换代"过程正式开始。它给整个X光科技带来的影响，将相当于上世纪可见光激光给整个光学所带来的影响。"X光科技"包含X光光源、X光和物质相互作用的各种实验技术、以及实验数据的分析方法三个部分。这三者在历史上一直有紧密的联系，但又是独立地发展的。它们都有自身的科学和技术问题需要研究解决。X射线衍射分析是X光科技的一个重要分支。以X射线衍射分析为代表的、研究物质微观结构的实验方法为上世纪物理学、化学、材料科学、生命科学等方面的许多重大成就提供了不可缺少的实验基础。硬X射线激光的出现，将给21世纪的X射线衍射分析带来一系列可能的、重大的变革。 测定膜蛋白的晶体结构可能无需培育通常意义下的"优质大单晶"，这对于生命科学的研究将有重大的影响； 可能用通常意义的"粉晶样品"采集到通常意义下的单晶X射线衍射数据。这将使材料科学研究中常用的粉晶X射线分析的能力提高约两个数量级； 研究物质微观结构所用的试样将从晶体或某种有序物体向“单分子”或者"单颗粒"演变。这样，X光科技就可以在原子的层次上观测从单分子到单细胞，乃至更大的生物体。也可以在原子的层次上观测各种非晶态的或者带有各种晶体缺陷的固体材料； 脉冲宽度为20飞秒或者更短的硬X射线激光给我们带来这样一种可能：以原子的尺度、在飞秒的时段、对物质的结构“拍"一张三维的"快照"一动态的X射线结构分析。"可能"并不等于现实。"可能"提供了机遇，也包含着挑战。我国当前的X光科技与世界先进水平还有一定距离。需要X光科技三个组成部分相互促进，同时又能独立自主地探索并作出有自己特色的贡献。