在这个国际结晶学年(IYCr2014),回顾和反思结晶学的历史发展是很自然的。自1912年马克斯·冯·劳厄(Max von Laue)和布拉格斯(Braggs)父子进行开创性实验以来,X射线管一直是产生用于晶体实验的短波电磁辐射(X射线)的主要来源。但在1947年,即现代结晶学诞生35年后,有报道称,两项重要实验从长远来看将对结晶学产生重大影响,并为科学的发展提供新的机遇。1947年,W.L.Davidson、G.A.Morton、C.F.Shull和E.O.Wollan(Davidson等。, 1947). 他们表明弹性散射查德威克1932年发现的中子,可以像X射线一样用于提供固体的补充结构信息。1994年,C.F.Shull与B.N.Brockhouse一起获得诺贝尔物理学奖,这一结果的重要性得到了承认。1947年由F.R.Elder、A.M.Gureutsch、R.V.Langmuir和H.C.Pollock(Elder等。, 1947)是由通用电气同步加速器的运行产生的光,电磁辐射。
人们立即意识到,相对于X射线为材料研究提供的可能性,中子的原子散射提供了新的可能性,例如用于识别和定位所有类型材料中的氢原子,也适用于存在较重原子的情况。这个磁矩中子的电荷不足使中子成为研究磁性的理想实验工具。用于材料研究的中子首先由核反应堆提供,并受益于核能的发展。在已经建造或正在建造的新中子源中,大多数是基于加速器的,通过散裂过程产生中子。对于这两种类型的中子源,安全性是一个重要问题。尽管中子衍射实验在原理上与X射线衍射实验非常相似,但在实践中,由于进入大型中子设施的机会有限,以及对大型样品的要求,它们的执行更加复杂。然而,中子源提供了独特的技术设施,可以用来改变样品环境。
同步辐射的实验应用,最初被粒子物理学家认为是一种麻烦,但发展速度慢得多。粒子加速器辐射的寄生使用促进了同步电子辐射科学的发展,并促进了对专用所谓第三代设施的需求。应该指出,建造第一代第三代同步加速器需要40多年的时间才能获得资金。此时,同步加速器设施可以从中子源的技术发展中受益,因为同步加速器的实验是互补的,与中子源的实验类似。
目前,研究人员有可能在全世界20多个中子源和近50个同步加速器设施上进行实验,人们可能会问,这些大型研究基础设施的可用性如何影响晶体学研究。高光辉同步辐射自然使研究较小且衍射较弱的样品(如蛋白质晶体)成为可能。蛋白质晶体学是一个受益于同步加速器设施的领域,同步加速器辐射彻底改变了结构生物学。如果没有同步加速器上用于大分子晶体学的高度自动化光束线,蛋白质数据库中蛋白质结构沉积的指数级增长是不可能的。自2003年以来,沉积的蛋白质结构数量从3921个增加到2013年的8539个,增加了一倍多,其中90%以上是基于同步加速器数据。同步辐射的广泛使用对中子源的互补使用产生了影响,并导致X射线和中子散射社区之间的相互作用更加密切。大型设施也在仪器开发中发挥了作用,该仪器能够在要求苛刻的样品环境中进行独特的实验。有趣的是,这一发展如何影响商业X射线设备,因此现在可以在实验室中测量衍射数据,其质量与几年前测量的同步加速器数据相当。
值得注意的是,大规模中子源和X射线源的使用大大扩大了晶体学研究。以及传统的衍射实验结构测定,中子和同步辐射现在被用来测量漫散射、小角度散射和不同光谱技术的测量。这些技术被独立或组合应用于许多新的研究领域,IUCr委员会数量的不断增加证明了这一点(https://www.iucr.org/iucr/commissions网站)现在涵盖了结晶学的这些新方面。晶体学的科学发展以IUCr委员会为代表,值得注意的是,大多数委员会的活动现在取决于大型中子和X射线设备的使用。中子源的使用在电荷、自旋和动量密度的研究中发挥了重要作用。然而,正如中最近的专题文章所示IUCrJ大学(约根森等。, 2014)现在,利用同步辐射测量的粉末衍射数据,可以获得有关金刚石电荷密度的信息。
其他IUCrJ大学论文也是中子和同步辐射如何渗透晶体学研究的好例子。同步辐射是年论文中报道的许多实验的基础IUCrJ大学,是蛋白质的常规结构确定。辐射损伤对同步辐射在蛋白质晶体学中的成功具有破坏性,并且已经在处理辐射损伤的软件开发方面投入了大量精力。Stellato在出版物中发现了如何处理这个问题的潜在突破等。(2014)在这篇文章中,他们描述了他们是如何利用同步辐射对数千个溶菌酶微晶进行连续晶体学测量来测量室温辐射无损伤衍射数据的。这一突破是使用为自由电子激光实验开发的方法发起的,是在不同的大型研究基础设施上进行的实验之间富有成果的交叉受精的一个极好的例子。我希望这种交叉受精在未来将继续下去,为结晶学的发展做出贡献,并导致在年发表优异的结晶学结果IUCrJ大学.