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在美國加州帕洛阿爾托之上的丘陵中,，物理學(xué)家們?yōu)槭澜缟献羁斓碾娮咏ㄔ炝艘粋€“極端超越障礙訓(xùn)練場”,。首先，他們將粒子在一個長約3公里的真空管道內(nèi)加速到接近光速,，然后,，讓這些電子猛然撞擊一段磁鐵，這會導(dǎo)致這些電子發(fā)生強(qiáng)烈的扭曲,，最終爆發(fā)出強(qiáng)烈的X射線暴,，強(qiáng)度之大足以穿透鋼板。 XFEL：一項具有顛覆性的技術(shù) 不過,，在SLAC國家加速器實驗室進(jìn)行這項研究的科學(xué)家們對武器并不感興趣,，他們操作的這臺機(jī)器是全球功能最強(qiáng)大的X射線自由電子激光器（XFEL）之一，它也是一種研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的工具。 結(jié)構(gòu)生物學(xué)家們尤其能從XFEL那兒獲益良多,，SLAC的激光器發(fā)出的X射線脈沖短到足以捕獲分子運(yùn)動類似閃光燈的圖像,；這些脈沖也稠密到足以為生物分子集群成像―采用傳統(tǒng)方法無法做到這一點。因此,，XFEL讓生物學(xué)家們擁有了新的方法,，能篩查出潛在的藥物標(biāo)靶；探測光合作用分子的機(jī)制等,。 “毫無疑問,，XFEL是一項具有顛覆性的技術(shù)，它徹底改變了人們做研究的方式,?！盨LAC機(jī)器科學(xué)顧問委員會委員、芝加哥大學(xué)的結(jié)晶學(xué)家凱斯?莫法特說,。 但XFEL也備受爭議,，尤其是SLAC這臺名為“直線加速器連貫光源（LCLS）”機(jī)器，更是紛爭不斷,。LCLS是全球首臺也是最大的XFEL,。2002年，盡管諸多科學(xué)家頻頻質(zhì)疑,，但美國能源部仍對這一項目開了綠燈,。當(dāng)時，很多人懷疑：即使假設(shè)這個還未經(jīng)證實的技術(shù)真能工作,，其未來提供的科學(xué)回報值得投入4.14億美元嗎,？ 莫法特表示，自從2009年,，LCLS開始工作,，這些擔(dān)心就慢慢偃旗息鼓了。莫法特說：“這項研究起作用了,，就像我們所說的那樣,，按期工作，而且費(fèi)用也在預(yù)算內(nèi),?！?/FONT> 目前，美國能源部正計劃建造一臺升級版的“LCLS二代”,，該設(shè)備計劃于到2018年投入使用,，其能同時進(jìn)行的實驗數(shù)量將為現(xiàn)在的3倍。另外,，去年11月,，美國國家科學(xué)基金會承諾,，將在接下來的5年內(nèi)，投資2500萬美元,，用于資助采用X射線自由電子激光器的生物研究中心（BioXFEL）,，這一研究中心位于紐約布法羅大學(xué)，主要宗旨是推動X射線結(jié)晶學(xué)在多項前沿領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位：從改進(jìn)納米晶體的準(zhǔn)備工作到實時觀察蛋白質(zhì)同其他化合物之間的相互作用等,。 在接下來的幾年內(nèi),，全球在XFEL上的投入將達(dá)到數(shù)十億美元。但這些機(jī)器要想發(fā)揮最大的潛能,，還有很多技術(shù)障礙需要克服,，包括提升其能量和發(fā)射出的光束的亮度以及如何處理它們產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)等。 “LCLS二代”和源源不斷涌現(xiàn)的新機(jī)器 “LCLS二代”和源源不斷涌現(xiàn)出來的其他新機(jī)器會給研究人員提供很多機(jī)會,。例如,，自從2011年開始，位于日本的,、全球最短波長的XFEL研究設(shè)備―SACLA就已開足馬力,。利用專門建造的緊湊型加速器，SACLA發(fā)射出的光束的亮度和能級為LCLS的6倍,。歐洲多家研究機(jī)構(gòu)希望能于2015年攜手完成總投入高達(dá)16億美元的歐洲版XFEL，目前這臺設(shè)備正在德國漢堡緊鑼密鼓地建造,，其亮度與SACLA相當(dāng),，但能級更高。 亞利桑那州立大學(xué)的生物化學(xué)家佩特拉?弗洛姆對于歐洲設(shè)備的脈沖率非常興奮,。LCLS每秒鐘能夠發(fā)射出120個脈沖,，這聽起來很多，但納米晶體噴射器每秒鐘會噴射出1萬個液滴,，而歐洲XFEL每秒將產(chǎn)生2.7萬個脈沖,，這將不僅使科學(xué)家們能避免浪費(fèi)99%昂貴且很難制造的納米晶體，也使這臺機(jī)器能讓更多人使用,。弗洛姆說：“借用這臺設(shè)備,，在5到10秒鐘而非5到10小時內(nèi)，你就可以得到數(shù)百萬個衍射圖案,?！?/FONT> 但弗洛姆也表示，脈沖速度的增加只會在系統(tǒng)能捕獲和處理海量數(shù)據(jù)時才發(fā)生,。目前探測器最高的速度約為每秒鐘發(fā)射3000個衍射圖案,，這一速度亟須提高，計算機(jī)的性能也需要提高,。他說：“目前,，在單個實驗內(nèi),，一次實驗就會生成100TB（1TB=1012）字節(jié)的數(shù)據(jù)。我們必須找到方法來精簡數(shù)據(jù),，否則,，如此多數(shù)據(jù)我們實在難以招架?！?/FONT> 結(jié)晶學(xué)的未來：為運(yùn)動中的分子成像 最終,，研究人員希望能夠捕獲單個分子的衍射圖案，這樣一來,，他們就能觀察分子在完全自然的環(huán)境下（比如被水包圍而非被捕獲在晶體內(nèi)的人造環(huán)境中）的運(yùn)動和它們之間的交互作用,。弗洛姆表示：“那是結(jié)晶學(xué)的未來。不是像法醫(yī)那樣為死去的分子拍照,，而是在分子運(yùn)動時,，為分子成像?！?/FONT> 要做到這一點很困難,，因為被隔離開來的單個分子并沒有同樣的“雙胞胎姊妹”來幫助它散射過來的光子，這是晶體內(nèi)會發(fā)生的情況,。唯一的補(bǔ)償辦法是用更多光子來照射它從而制造出更強(qiáng)烈的散射圖案,，光子的亮度需要達(dá)到LCLS的1000到1萬倍。弗洛姆說,，歐洲XFEL發(fā)射出的光子的亮度可能會再強(qiáng)10倍,，升級后的LCLS的亮度也會增加1000倍。弗洛姆認(rèn)為,，這一目標(biāo)指日可待,。“我們十年之內(nèi)就可以做到這一點,?！?/FONT>
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