X射线激光器：直击物质的“心脏”
2014.03.31来源： 科技日报 作者： 记者 刘霞
在美国加州帕洛阿尔托之上的丘陵中，物理学家们为世界上最快的电子建造了一个“极端超越障碍训练场”。首先，他们将粒子在一个长约3公里的真空管道内加速到接近光速，然后，让这些电子猛然撞击一段磁铁，这会导致这些电子发生强烈的扭曲，最终爆发出强烈的X射线暴，强度之大足以穿透钢板。
XFEL：一项具有颠覆性的技术
不过，在SLAC国家加速器实验室进行这项研究的科学家们对武器并不感兴趣，他们操作的这台机器是全球功能最强大的X射线自由电子激光器（XFEL）之一，它也是一种研究物质结构的工具。
结构生物学家们尤其能从XFEL那儿获益良多，SLAC的激光器发出的X射线脉冲短到足以捕获分子运动类似闪光灯的图像；这些脉冲也稠密到足以为生物分子集群成像—采用传统方法无法做到这一点。因此，XFEL让生物学家们拥有了新的方法，能筛查出潜在的药物标靶；探测光合作用分子的机制等。
“毫无疑问，XFEL是一项具有颠覆性的技术，它彻底改变了人们做研究的方式。”SLAC机器科学顾问委员会委员、芝加哥大学的结晶学家凯斯·莫法特说。
但XFEL也备受争议，尤其是SLAC这台名为“直线加速器连贯光源（LCLS）”机器，更是纷争不断。LCLS是全球首台也是最大的XFEL。2002年，尽管诸多科学家频频质疑，但美国能源部仍对这一项目开了绿灯。当时，很多人怀疑：即使假设这个还未经证实的技术真能工作，其未来提供的科学回报值得投入4.14亿美元吗？
莫法特表示，自从2009年，LCLS开始工作，这些担心就慢慢偃旗息鼓了。莫法特说：“这项研究起作用了，就像我们所说的那样，按期工作，而且费用也在预算内。”
目前，美国能源部正计划建造一台升级版的“LCLS二代”，该设备计划于到2018年投入使用，其能同时进行的实验数量将为现在的3倍。另外，去年11月，美国国家科学基金会承诺，将在接下来的5年内，投资2500万美元，用于资助采用X射线自由电子激光器的生物研究中心（BioXFEL），这一研究中心位于纽约布法罗大学，主要宗旨是推动X射线结晶学在多项前沿领域处于领先地位：从改进纳米晶体的准备工作到实时观察蛋白质同其他化合物之间的相互作用等。
在接下来的几年内，全球在XFEL上的投入将达到数十亿美元。但这些机器要想发挥最大的潜能，还有很多技术障碍需要克服，包括提升其能量和发射出的光束的亮度以及如何处理它们产生的海量数据等。
“LCLS二代”和源源不断涌现的新机器
“LCLS二代”和源源不断涌现出来的其他新机器会给研究人员提供很多机会。例如，自从2011年开始，位于日本的、全球最短波长的XFEL研究设备—SACLA就已开足马力。利用专门建造的紧凑型加速器，SACLA发射出的光束的亮度和能级为LCLS的6倍。欧洲多家研究机构希望能于2015年携手完成总投入高达16亿美元的欧洲版XFEL，目前这台设备正在德国汉堡紧锣密鼓地建造，其亮度与SACLA相当，但能级更高。
亚利桑那州立大学的生物化学家佩特拉·弗洛姆对于欧洲设备的脉冲率非常兴奋。LCLS每秒钟能够发射出120个脉冲，这听起来很多，但纳米晶体喷射器每秒钟会喷射出1万个液滴，而欧洲XFEL每秒将产生2.7万个脉冲，这将不仅使科学家们能避免浪费99%昂贵且很难制造的纳米晶体，也使这台机器能让更多人使用。弗洛姆说：“借用这台设备，在5到10秒钟而非5到10小时内，你就可以得到数百万个衍射图案。”
但弗洛姆也表示，脉冲速度的增加只会在系统能捕获和处理海量数据时才发生。目前探测器最高的速度约为每秒钟发射3000个衍射图案，这一速度亟须提高，计算机的性能也需要提高。他说：“目前，在单个实验内，一次实验就会生成100TB（1TB=1012）字节的数据。我们必须找到方法来精简数据，否则，如此多数据我们实在难以招架。”
结晶学的未来：为运动中的分子成像
最终，研究人员希望能够捕获单个分子的衍射图案，这样一来，他们就能观察分子在完全自然的环境下（比如被水包围而非被捕获在晶体内的人造环境中）的运动和它们之间的交互作用。弗洛姆表示：“那是结晶学的未来。不是像法医那样为死去的分子拍照，而是在分子运动时，为分子成像。”
要做到这一点很困难，因为被隔离开来的单个分子并没有同样的“双胞胎姊妹”来帮助它散射过来的光子，这是晶体内会发生的情况。唯一的补偿办法是用更多光子来照射它从而制造出更强烈的散射图案，光子的亮度需要达到LCLS的1000到1万倍。弗洛姆说，欧洲XFEL发射出的光子的亮度可能会再强10倍，升级后的LCLS的亮度也会增加1000倍。弗洛姆认为，这一目标指日可待。“我们十年之内就可以做到这一点。”
