在美國加州帕洛阿爾托之上的丘陵中，物理學家們?yōu)槭澜缟献羁斓碾娮咏ㄔ炝艘粋€“極端超越障礙訓練場”。首先，他們將粒子在一個長約3公里的真空管道內加速到接近光速，然后，讓這些電子猛然撞擊一段磁鐵，這會導致這些電子發(fā)生強烈的扭曲，最終爆發(fā)出強烈的X射線暴，強度之大足以穿透鋼板。
XFEL：一項具有顛覆性的技術
不過，在SLAC國家加速器實驗室進行這項研究的科學家們對武器并不感興趣，他們操作的這臺機器是全球功能最強大的X射線自由電子激光器（XFEL）之一，它也是一種研究物質結構的工具。
結構生物學家們尤其能從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讓生物學家們擁有了新的方法，能篩查出潛在的藥物標靶；探測光合作用分子的機制等。
“毫無疑問，XFEL是一項具有顛覆性的技術，它徹底改變了人們做研究的方式。”SLAC機器科學顧問委員會委員、芝加哥大學的結晶學家凱斯·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，盡管諸多科學家頻頻質疑，但美國能源部仍對這一項目開了綠燈。當時，很多人懷疑：即使假設這個還未經證實的技術真能工作，其未來提供的科學回報值得投入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，而且費用也在預算內。”
目前，美國能源部正計劃建造一臺升級版的“LCLS二代”，該設備計劃于到2018年投入使用，其能同時進行的實驗數(shù)量將為現(xiàn)在的3倍。另外，去年11月，美國國家科學基金會承諾，將在接下來的5年內，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，主要宗旨是推動X射線結晶學在多項前沿領域處于領先地位：從改進納米晶體的準備工作到實時觀察蛋白質同其他化合物之間的相互作用等。
在接下來的幾年內，全球在XFEL上的投入將達到數(shù)十億美元。但這些機器要想發(fā)揮最大的潛能，還有很多技術障礙需要克服，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生的海量數(shù)據(jù)等。
“LCLS二代”和源源不斷涌現(xiàn)的新機器
“LCLS二代”和源源不斷涌現(xiàn)出來的其他新機器會給研究人員提供很多機會。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。歐洲多家研究機構希望能于2015年攜手完成總投入高達16億美元的歐洲版XFEL，目前這臺設備正在德國漢堡緊鑼密鼓地建造，其亮度與SACLA相當，但能級更高。
亞利桑那州立大學的生物化學家佩特拉·弗洛姆對于歐洲設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每秒將產生2.7萬個脈沖，這將不僅使科學家們能避免浪費99%昂貴且很難制造的納米晶體，也使這臺機器能讓更多人使用。弗洛姆說：“借用這臺設備，在5到10秒鐘而非5到10小時內，你就可以得到數(shù)百萬個衍射圖案。”
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，計算機的性能也需要提高。他說：“目前，在單個實驗內，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。”
結晶學的未來：為運動中的分子成像
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的人造環(huán)境中）的運動和它們之間的交互作用。弗洛姆表示：“那是結晶學的未來。不是像法醫(yī)那樣為死去的分子拍照，而是在分子運動時，為分子成像。”
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，這是晶體內會發(fā)生的情況。唯一的補償辦法是用更多光子來照射它從而制造出更強烈的散射圖案，光子的亮度需要達到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10倍，升級后的LCLS的亮度也會增加1000倍。弗洛姆認為，這一目標指日可待。“我們十年之內就可以做到這一點。”
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