1914年，德國(guó)科學(xué)家Max von Laue因發(fā)現(xiàn)晶體如何衍射X射線而摘得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠，這一發(fā)現(xiàn)直接推動(dòng)了X射線晶體學(xué)的出現(xiàn)。從那時(shí)以來(lái)，研究人員利用衍射推算出了越來(lái)越多復(fù)雜分子的晶體結(jié)構(gòu)，從簡(jiǎn)單礦物到石墨烯等高科技材料，甚至還包括病毒。

　　隨著技術(shù)進(jìn)步，發(fā)現(xiàn)的步伐也在加速：每年數(shù)以萬(wàn)計(jì)的新結(jié)構(gòu)留下影像。上世紀(jì)90年代，蛋白質(zhì)晶體圖片的分辨率已經(jīng)達(dá)到能分辨單個(gè)原子的臨界閾值。

　　Von Laue偶然間有了這樣一個(gè)想法，當(dāng)X射線穿過(guò)一個(gè)晶體時(shí)，由于原子的存在，它們將發(fā)生散射，然后就像拍打海岸的波浪那樣互相干擾。在某些地方，一些波會(huì)加入到另一些波中，而在另一些地方則可能出現(xiàn)相互抵消。這樣一來(lái)，衍射圖樣就能被用于計(jì)算那些分散原始X射線的原子的位置。1912年，Von Laue及其同事利用硫酸銅樣本證明了這一理論。

　　回顧晶體學(xué)的發(fā)展歷程不難看出，X射線技術(shù)在其中扮演了重要角色，功能強(qiáng)大的X射線激光器推動(dòng)著晶體學(xué)不斷前進(jìn)。

　　直擊物質(zhì)“心臟”

　　在美國(guó)加利福尼亞州帕洛阿爾托市附近的丘陵中，物理學(xué)家為世界上最快速的電子建造了一個(gè)“極端超越障礙訓(xùn)練場(chǎng)”。首先，粒子在一個(gè)長(zhǎng)達(dá)3公里的真空管內(nèi)加速到接近光速，然后它們將穿過(guò)一段磁鐵，并被猛烈扭曲。最終出現(xiàn)強(qiáng)烈X射線暴，使它們足以穿透鋼板。

　　不過(guò)，SLAC的科學(xué)家對(duì)武器并不感興趣。他們的機(jī)器是全世界功率最大的X射線自由電子激光（XFELs）發(fā)射器之一，也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種工具。結(jié)構(gòu)生物學(xué)家尤其能從XFELs中獲益匪淺。SLAC的激光器發(fā)射出的X射線脈沖短到足以捕獲分子運(yùn)動(dòng)的類似頻閃燈的圖片，并且強(qiáng)烈到足以為生物分子集群成像——這是傳統(tǒng)技術(shù)難以完成的。XFELs正賦予生物學(xué)家新的方法掃描潛在的藥物標(biāo)靶、探討光合作用粒子的結(jié)構(gòu)等。

　　“毫無(wú)疑問(wèn)，XFELs是顛覆性技術(shù)。”伊利諾伊州芝加哥大學(xué)晶體學(xué)家Keith Moffat說(shuō)，“到目前為止，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了之前的技術(shù)，并正在改變?nèi)藗冏鍪碌姆绞健?rdquo;Moffat也是XFELs發(fā)射器科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)成員。

　　但XFELs也是備受爭(zhēng)議的技術(shù)，尤其是SLAC的直線性連續(xù)加速器光源（LCLS）更是如此。LCLS是世界上首個(gè)也是最大的XFELs發(fā)射器。2002年，面對(duì)研究人員的頻頻質(zhì)疑，美國(guó)能源部（DOE）牽頭開(kāi)始建造LCLS。當(dāng)時(shí)許多人質(zhì)疑：即使假設(shè)這個(gè)未經(jīng)證實(shí)的技術(shù)能夠工作，LCLS未來(lái)的科學(xué)產(chǎn)出是否值得投入4.14億美元呢？

　2009年LCLS開(kāi)始運(yùn)行后，爭(zhēng)論逐漸消失，Moffat提到，“它按時(shí)按預(yù)算工作了，并且更突出、更方便”。日本緊跟其后，建造了自己的XFEL設(shè)備，歐洲則計(jì)劃了一個(gè)功率更大的設(shè)備，將于2015年啟動(dòng)。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，全球?qū)FELs的投入將達(dá)數(shù)十億美元。但要充分發(fā)揮其潛力，這些設(shè)備還必須克服更多的技術(shù)障礙，從推進(jìn)功率到更好地處理產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等。

　　“物理學(xué)家、生物學(xué)家、激光科學(xué)家和高能密度學(xué)家—— 一個(gè)徹底的新團(tuán)體正在形成，因?yàn)槿藗儽仨毩私庀嚓P(guān)工作的所有程序。”瑞典烏普薩拉大學(xué)分子生物物理學(xué)家Janos Hajdu說(shuō)，“很多發(fā)展必須統(tǒng)合在一起，以便完成這項(xiàng)工作。”