X射线是现代物理学最激动人心的发现之一,伦琴为此获得了历史上第一个诺贝尔物理学奖。与X射线相关的研究也是最早引入中国的现代物理学学科方向之一,中国近代物理学事业奠基人之一胡刚复先生及其学生吴有训先生、余瑞璜先生分别在美国哈佛大学、芝加哥大学和英国曼彻斯特大学因与X射线相关的科学研究获博士学位,其中余瑞璜先生1937年在X射线晶体学诺贝尔奖获得者W.I.布拉格指导下获英国曼彻斯特大学博士学位,回国后成为中国X射线晶体学研究的重要开创者。
和电子显微术等其它原子级显微技术相比,由于X射线对物质具有良好的穿透能力,X射线晶体衍射显微技术成为了过去100年来人们获取物质内部原子级微观结构信息最为重要的技术手段。从X射线晶体衍射图样回溯物体的微观结构,是一个典型的数学上的反问题,由此,人们发展出了各种数学技巧和数据处理方法来应对日益复杂的结构反演问题和不断增长的数据量。X射线晶体学的思想还被借用到与X射线一样具有高物质穿透能力的中子,促进了中子晶体衍射技术的发展。和X射线衍射主要探测原子核周围电子云的结构分布不同,中子只和原子核发生相互作用,因此中子衍射可以给出物质中原子核的微观结构分布,与X射线晶体衍射技术互补,提供更为完整的物质微观结构信息。
X射线晶体学对物理、化学、材料及生命等几乎所有现代科学技术学科的发展都起到了不可替代的作用,但这一技术名称本身也告诉了我们传统X射线晶体学的局限性,即它只能对微观结构周期性排布的晶体提供原子级的显微分辨能力。对于难以结晶的非周期性微观物质结构,传统X光晶体衍射技术就无能为力了。目前,对非周期性微观结构实现原子级分辨能力的X射线衍射显微成像技术的主流技术途径是建造性能更为优越的X光光源,即X射线自由电子激光,这也是X射线晶体衍射技术拓展的方向之一。也有人尝试在传统X射线源的基础上,通过发展全新的X射线衍射成像手段来解决这一难题。
虽然已经过去了100年,但X射线衍射显微技术仍然像它刚刚诞生时那样生机勃勃,充满了挑战和机遇。我们有充分的理由相信,和已经过去的100年一样,X射线衍射显微技术将为推动人类科学技术的进步继续作出不可替代的贡献。
(作者为中科院上海光学精密机械研究所研究员)
文/韩申生
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