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硬X射线自由电子激光装置:能给分子拍电影

来源:文汇报

  发布:星之球科技

关键词:自由电子激光 激光技术

2018-01-22

 最近,作为《国家重大科技基础设施建设“十三五”规划》优先布局的、我国迄今为止投资最大的重大科技基础设施项目———硬X射线自由电子激光装置( XFEL)获批启动。这种装置因为能帮助科学家看清原子乃至电子尺度上的微观世界,被英国《自然》杂志称为科学家的“高速摄像机”。

由于原子、电子运动得实在太快了,人类至今从未看清过它们是怎样运动的。XFEL可以捕捉微观世界的瞬时图像,并可慢速回放,让科学家弄清其中的奥秘,因而成为各国争相研制的一大科研利器。
 
我国迄今为止投资最大的重大科技基础设施项目———硬X射线自由电子激光装置(XFEL)最近获批启动。选址上海张江综合性国家科学中心核心区域,这个总长3.1公里的装置,将建设埋深约30米的地下隧道,沿浦东新区罗山路,一直延伸到上海科技大学园区。
 
早在2009年,美国就建成了世界上第一条XFEL。近年来,日本、瑞士、韩国都在加紧研制这一科研利器。去年9月,欧洲12国共同投资12亿欧元、建在德国汉堡附近的欧洲XFEL开始进行首批实验。
 
硬X射线自由电子激光装置所提供的X射线,峰值亮度比第三代同步辐射光源可以高出上万倍,能帮助科学家看清原子,乃至电子尺度上的微观世界,可将对微观世界的研究从拍“分子照片”提升到拍“分子电影”的水平,因而成为全世界科学家追逐的热门。英国《自然》杂志将这种装置称为科学家的“高速摄像机”。
 
比普通X光亮上亿倍具备超快时间分辨力
 
高速运动的电子在受磁场影响发生偏转时,会沿切线方向释放同步辐射光,这种光比普通X光强上万倍。而X射线自由电子激光则比同步辐射光更强,这种光是高能电子在受磁场作用,发生扭摆的时候,在前进方向上放出的激光。
 
X射线自由电子激光根据能量和波长的不同,分为软、硬X射线两种,后者亮度更高,比同步辐射光还要高出上万倍,其波长可达到几个纳米(10米)。
 
与同步辐射光相比,X射线自由电子激光具有更高的亮度、更短的脉冲结构和更好的相干性。同步辐射光所能看到的是分子层面的结构,而硬X射线自由电子激光则能看清原子级别的结构。这有什么不同?如果说,同步辐射光可以看清一幢大楼的表面,那么硬X射线自由电子激光则可以看清每个窗户里发生的事情。
 
显然,XFEL可以帮助科学家看清以前从未看到过的微观世界,一些科学猜测也许就此解开谜团。尽管现有的XFEL性能还有不少提升空间,但科学家已经利用这种超强光源,得到了一些新发现。例如,中国科学院上海药物研究所徐华强研究员领衔的国际交叉团队经过联合攻关,利用美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)国家加速器实验室的XFEL,成功解析了磷酸化视紫红质与阻遏蛋白复合物的晶体结构,攻克了细胞信号传导领域的重大科学难题。随着数据分析方法的提升和改进,他用同一套数据,先后有了两次重大发现,论文均发表在美国《细胞》杂志上。这也从一个侧面说明,XFEL将为科学发现带来极具价值的研究数据。
 
近十年来,全球科学家都在追求这种激光,不断提升其性能,希望借此推动人类对自然界的认识更加深入。就在去年9月,欧洲12国共同投资的XFEL在德国汉堡附近开始进行首批实验,其能量高达17.5GeV(109电子伏特),每秒可发射2.7万个脉冲。美国2009年建成的XFEL能量达到14.5GeV,现在又开始建设其升级版,虽然能量指标为4GeV,但其每秒可发射100万个脉冲,是目前装置的1万倍。我国新启动的XFEL能量为8GeV,可以产生品质非常高的光子,它还将同时具备纳米级的超高空间分辨能力,以及飞秒(10秒)级的超快时间分辨能力。

为科学家拍分子电影鲜活展现微观世界
 
利用硬X射线自由电子激光,科学家能做什么?在早期的XFEL上,科学家每秒可以收集到100张左右的X射线照片,而在新启用的欧洲XFEL实验站,科学家每秒可收集3000多张高质量的X射线照片。那么,如果脉冲数高达百万的话,将为科学家带来多少微观世界的瞬时图像?
 
众所周知,每秒24帧的画面就可形成视觉上连续不断的动态影像,也就是最基本的电影,当每秒图像超过1000帧,就进入到了高速摄像机的水准。每秒百万次脉冲,就意味着每秒拍摄下的X射线照片可能多达约10万张,那真是名副其实的超级高速照相机。
 
一般来说,高速摄像机的图像质量并不会很高,但XFEL这台高速摄像机目前的分辨率已达到百纳米级别,未来还将向纳米级别冲刺。
 
为何科学家需要如此高速高清的摄像机?那是因为原子、电子的运动太快了,人类至今从未看清过它们是怎样运动的,只能看到一团电子云———那是电子快速运动所形成的轨迹迷雾,就好比武侠小说中的落英缤纷掌、天罗地网手或无影神拳。而XFEL则有望将这一过程抓拍下来,并让科学家慢速回放,弄清过程中的奥秘,清晰地看到电子、原子结构的动态变化,如电子怎样从一个分子跑向另一个分子,这相当于将微观世界活生生展现在人们面前,而这是目前还做不到的。
 
新发现将可能颠覆以前的很多科学认知,因为我们现在只能看到模模糊糊的影像,只能用平均图像来猜测真实的微观粒子世界。比如超导如何产生,“生命机器”蛋白质分子如何运行,化学反应中化学键如何形成,等等。科学家曾用这种光源将电子从碘甲烷分子(CH3I)中的碘原子里几乎全部敲出,使得碘原子像黑洞的电磁一样吸引甲基的电子,其响应时间在飞秒级别。这一研究结果发表在去年6月的英国《自然》杂志上。
 
由于自由电子激光是在电子前进的方向上发出的光,所以它不能像同步辐射光那样,绕着一个大圆环来引出一束束光,建成几十个实验线站,而只能让光稍稍偏转,分成有限的几束,接到实验站上(数量一般不超过十个)。这也让它显得尤为宝贵。
 
一般XFEL包含直线加速器隧道、波荡器隧道、光束线隧道、用户装置等设施。要获得更高能量的电子,就需要更长的电子加速距离,所以装置会越造越长,为了缩短电子加速的距离,基于超导技术的加速器正在成为世界上建造XFEL的主流。
 
上海即将建造的XFEL,也采用超导加速器,以期在建成后成为世界上最高效和最先进的自由电子激光用户装置之一。
 
该装置建成后,将为物理学、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段。张江地区也将成为集聚同步辐射光源、软X射线自由电子激光、硬X射线自由电子激光和超强超短激光于同一区域的国际光子科学研究高地。
 
该项目还将尝试打破高校与科研院所的围墙,联手大量高技术企业,在张江地区“集聚力量做大事”。记者了解到,由于XFEL的很多技术都要挑战极限,因此对我国高端制造业的提升将有明显的牵引作用。
 
硬X射线自由电子激光的用途
 
XFEL的第一个实验
 
自由电子激光从揭秘原子开始。该研究成果发表于2010年7月1日英国《自然》杂志。
 
研究难以结晶的蛋白质
 
中科院上海药物研究所研究员徐华强领衔的国际交叉团队经过联合攻关,再次利用世界上最强X射线激光所解析的磷酸化视紫红质与阻遏蛋白复合物的晶体结构数据,解决了细胞信号传导领域的重大科学难题。该项突破性成果于2017年7月28日以封面文章形式发表于美国《细胞》杂志。
 
看清原子级结构
 
极高亮度的X射线自由电子激光将54(62)电子从碘甲烷分子CH3I的碘原子(右)中敲出,使得它像黑洞的电磁一样吸引甲基(左)的电子,其响应时间在飞秒内。该研究结果发表在2017年6月1日的英国《自然》杂志。
 
揭示化学反应机理
 
捕获化学键的形成瞬间。该研究成果发表于2015年2月12日美国《科学》杂志。