晶体学

扩展了无损衍射衬度断层扫描成像解决方案德国耶拿，2021年3月24日作为无损3D成像系统性能的引领者，蔡司发布了全新微米CT（microCT）系统Xradia CrystalCT™ ，为工业和科研实验室实现各种金属和合金、增材制造、陶瓷和药物样品等多晶材料的三维晶体学成像提供解决方案。蔡司微米CT（microCT）系统Xradia CrystalCT的研发基于传统CT而设计，旨在提供衍射衬度断层扫描（DCT）成像，也是首次在全球范围内将DCT技术商业化。它使得研究人员能够将三维晶体学信息和吸收衬度断层扫描数据有机的结合。蔡司Xradia CrystalCT是蔡司与实验室衍射成像先驱Xnovo Technology ApS合作开发，并提供DCT成像的最新Xradia平台。 蔡司Xradia CrystalCT是搭建在微米CT上的商业化实验室衍射衬度断层成像（DCT）系统。与传统的破坏性三维晶体学成像方法相比，无缝的大体积晶粒成像让实验数据量更具代表性。高级的采集模式可实现自由拼接扫描以快速准确地获取三维晶粒数据。先进的数据采集模式通过免拼接的扫描方式，可快速准确地得到三维晶粒数据。大尺寸样品的成像能力降低了实验室中的很多限制，可实现更多样品类型的分析和更少的样品准备时间，从而缩短了整体分析时间。更快地采集速度可缩短样品运行时间，从而提高实验室分析效率。对金属等材料的晶体结构进行成像并量化材料内部晶体学取向的能力有助于理解和优化材料性能。微米CT非破坏性成像的特性促进了对原位显微结构演变的理解，可控外场环境中，例如热处理，力学加工以及模拟环境对材料行为的影响。这些研究有助于评估新型、更轻巧和更坚固的先进材料的性能和耐久性，并解决诸如功能性、安全性和改进的经济性等问题。在蔡司3D X射线显微镜Xradia 620 Versa上提供的DCT成像功能的扩展模块之前，DCT成像只能在同步辐射光源上实现。蔡司Xradia CrystalCT除了作为一个DCT平台之外，它还是一个优秀的微米CT成像系统，它是建立在高度成熟稳定的蔡司Xradia Versa基础上，为一系列3D成像需求提供出色的分辨率和图像质量。利用蔡司Xradia CrystalCT对铝铜合金进行了结合衍射衬度和吸收衬度的多模块成像和分析。图片展示了使用CrystalCT对材料进行多模式成像表征。三维渲染图是衍射衬度成像和吸收衬度成像的叠加演示，其中衍射衬度成像是依据铝晶粒的晶体学取向进行着色，吸收衬度成像中铜富集的相显示高对比度颗粒和偏析浸润的晶界。 来源： M. Kobayashi, 丰桥技术科学大学, 日本Al-4wt%Cu拉伸样品的三维晶粒图像，其测试区域截面尺寸（长）为1.25 mm，（宽）为1.0 mm，（厚）为0.5 mm。使用高纵横比的黄金角螺旋扫描模式（helical phyllotaxis HART）。蔡司 X射线显微镜负责人Daniel Sims表示：借助CrystalCT，我们将Xradia Versa平台多年来的创新和优势带给更广泛的受众。迎合市场需求的CrystalCT产品提供了一系列被证实成熟可靠的3D成像性能。此外，我们的客户还可以额外享受投资保护，因为平台具有高度可扩展性和广泛的附加功能，随着业务和实验室需求的扩大，可以升级到蔡司顶级Versa机型。Xnovo公司CEO Erik Lauridsen说：“我们很自豪能够支持下一代基于实验室的衍射成像技术，现在该技术将得到更广泛的应用。借助在数据重建和分析方面成熟的专业知识，我们能够将DCT方法应用到微焦点计算断层扫描平台上。而蔡司的微米CT系统为该应用提供了理想的环境。”

X射线晶体学技术是人们了解原子世界的利器，人们通过这一技术获得了许多重要的生物学结构。在晶体学技术百年诞辰之际，Cell杂志发表了清华大学施一公教授的前沿文章。这篇综述性文章全面介绍了X射线晶体学技术和结构生物学的历史和现状，读者现在可以在Cell网站免费获取全文。 　　1914年，德国科学家Max von Laue因为发现晶体中的X射线衍射现象，获得了诺贝尔物理学奖，这一发现直接催生了X射线晶体学。从那以后，研究者们用这一衍射技术解析了大量复杂分子的晶体结构，从简单的矿物、高科技材料(如石墨烯)到病毒等生物学结构。 　　自1957年确定了肌红蛋白的结构以来，X射线晶体学技术就成为了结构生物学的重要工具，为人们不断揭示生命的奥秘。这一技术不仅增进了我们对细胞的认识，还大大推动了现代医学的发展。 　　这篇文章首先从结构生物学的角度，回顾了X射线晶体学技术的发展简史。随后，施一公教授以蛋白激酶和膜整合蛋白为例，阐述了结构生物学的发展和现状，探讨了技术发展带来的影响并对未来进行了展望。 　　作者简介： 　　施一公，世界着名的结构生物学家，美国双院外籍院士，中国科学院院士。曾是美国普林斯顿大学分子生物学系建系以来最年轻的终身教授和讲席教授。 　　2008年2月至今，受聘清华大学教授 2009年9月28日起，任清华大学生命科学学院院长。获2010年赛克勒国际生物物理学奖。2013年4月当选美国艺术与科学院外籍院士、美国科学院外籍院士。2013年12月19日，施一公当选中国科学院院士。2014年4月2日，施一公获爱明诺夫奖，成为获此奖项的第一位中国人。该奖为国际知名奖项，由瑞典国王亲自颁发。 　　主要科研领域与方向：主要运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子机制，集中于肿瘤抑制因子和细胞凋亡调节蛋白的结构和功能研究与重大疾病相关膜蛋白的结构与功能的研究 　　推荐阅读 　　英文全文下载：A Glimpse of Structural Biology throughX-Ray Crystallography

郭可信先生是我国著名的电子显微学和晶体学家，在国内率先引入高分辨电子显微镜，开始从原子尺度直接观察晶体结构的研究。郭可信先生为我国的金属材料物理研究以及电子显微学研究事业培养了大量的人才，桃李满天下。为继承郭可信先生的遗志，为中国电子显微学的持续发展做贡献，2008年由郭可信先生的学生倡导发起，国内外从事电镜研究应用的华人学者经过认真商讨，决定每年举办一次郭可信电子显微学和晶体学暑期学校，并以材料科学和生物学应用为主题轮流举行。 　　2014年7月26日-27日，&ldquo 第七届郭可信电子显微学和晶体学暑期学校&rdquo 在中国科学院上海生命科学研究院生化与细胞所/国家蛋白质科学中心&bull 上海(筹)举办。本期暑期学校为&ldquo 2014冷冻电镜(cryo-EM)三维分子成像国际研讨会&rdquo 的一个组成部分，着眼于冷冻电镜相关实验技术及计算软件的实践技术培训，旨在培养我国生物冷冻电镜高技术人才及年轻后备人才，加强我国在这一领域的科研实力。 　　根据冷冻电镜的技术特点，本期暑期学校分为了电镜操作技术培训和图像处理技术培训两个部分。邀请了来自海外的知名专家学者进行讲授培训。 　　电镜操作技术培训 　　冷冻电镜技术作为结构生物学及细胞生物学的新兴研究方法，在过去十几年里技术上取得了长足的发展，最近几年在国内也得以推广并取得极大进步，越来越多的研究小组关注这一技术的应用。 加州大学旧金山分校 程亦凡博士 　　来自加州大学旧金山分校的程亦凡博士介绍了冷冻电镜的基本原理、仪器构造、生物样品制备、三维重构的原理、以及电子晶体学、单颗粒三维重构、电子断层三维重构技术的特点与应用等内容。 布兰迪斯大学 徐晨博士 　　布兰迪斯大学的徐晨博士从冷冻电镜设施的建立、冷冻电镜样品的制备和操作，以及当前电镜操作的自动化、远程控制等先进技术。最后，徐晨还介绍了新型图像探测器&mdash 直接电子探测器的市场和应用情况。 匹兹堡大学医学院 Peijun Zhang博士 　　匹兹堡大学医学院的Peijun Zhang博士介绍了共聚焦显微镜与冷冻电镜结合使用在活细胞检测方面的应用。 美国斯克利普斯研究所 Anchi Cheng博士 　　来自美国斯克利普斯研究所的Anchi Cheng博士介绍了其参与研发的Leginon电镜数据自动收集的软件与方法。Leginon是目前应用比较成熟的单颗粒自动化数据收集软件之一。 霍华德&bull 休斯医学研究所 Dan Shi博士 　　此外，还有来自霍华德&bull 休斯医学研究所的Dan Shi博士介绍了电子衍射数据收集的相关内容。 　　图像处理技术培训 　　虽然近年来冷冻电镜技术进入快速发展期，然而与其配套的图像处理及三维重构技术在国内发展还相对滞后，一定程度上制约了该技术在我国的应用。此次培训班专门开设了电镜数据图像处理及三维重构技术课程，帮助学员系统全面地掌握最新的冷冻电镜图像处理技术和软件。 美国Baylor医学院 Steven Ludtke博士 　　EMAN2的开发者&mdash &mdash 美国Baylor医学院的Steven Ludtke博士介绍了单颗粒冷冻电镜三维重构软件EMAN2。1999年，Steven Ludtke博士等人推出了EMAN软件的第一个版本，如今EMAN已成为世界上使用最广泛、用于高分辨率单颗粒重构的软件之一。 英国剑桥MRC分子生物学实验室 Sjors Scheres博士 　　英国剑桥MRC分子生物学实验室的Sjors Scheres博士介绍了RELION软件包，以及最大概然统计分析理论和贝叶斯理论在电镜图像分析和三维重构中的应用。在最近解析的高分辨率电镜结构中，很多应用了RELION软件包。 德国Jü lich研究中心 Gunnar Schroder博士 　　德国Jü lich研究中心的Gunnar Schroder博士介绍了DireX软件包在电镜三维密度图限制下柔性建模、分析评估方法及其软件的发展与应用。 图像处理技术培训现场 电镜操作技术培训现场 　　在整个培训期间，除了邀请专家进行授课培训外，还安排了充分的时间让学员进行实际操作培训，并由授课老师直接进行指导。接受培训的学生们表示通过此次培训对于冷冻电镜及三维重构技术有了更深入的了解和认识，对于自己日后的研究工作颇有帮助。（撰稿：秦丽娟） 　　附录：郭可信电子显微学和晶体学暑期学校的由来 　　郭可信先生是我国著名的电子显微学和晶体学家，在国内率先引入高分辨电子显微镜，开始从原子尺度直接观察晶体结构的研究。郭可信先生与钱临照、柯俊先生等科学家发起创建了中国电子显微镜学会，并亲任理事长。同时郭先生在国际科学界具有重要影响，曾任亚太地区电子显微学会联合会主席等，并且郭可信先生为我国的金属材料物理研究以及电子显微学研究事业培养了大量的人才，桃李满天下。 　　为继承郭可信先生的遗志，为中国电子显微学的持续发展做贡献，2008年由郭可信先生的学生倡导发起，国内外从事电镜研究应用的华人学者经过认真商讨，决定每年举办一次郭可信电子显微学和晶体学暑期学校，并以材料科学和生物学应用为主题轮流举行。每年的暑期学校都电镜学习培训班和学术研讨会相结合的形式，一方面培养大家的电镜基础知识和操作技术，另一方面能够更好的了解国内外电镜应用的最新研究进展。 　　首届郭可信电子显微学和晶体学暑期学校在清华大学举行，并举办&ldquo 冷冻电镜三维分子成像国际研讨会&rdquo 。此后，为了有系统持续性地推动冷冻电镜研究领域的交流与发展，加强我国科研的国际交流合作，使青年学者有机会与该领域权威科学家面对面交流，并得到高层次的培训，在中国每两年举办一次生物领域的&ldquo 郭可信电子显微学与晶体学暑期学校&rdquo 及&ldquo 冷冻电镜三维分子成像国际研讨会&rdquo ，第二届会议2010年在中科院生物物理所举办 第三届会议2012年在中国科技大学举办。

蛋白的结构直接决定着它们的功能，蛋白结构分析能够为人们提供重要信息，帮助人们开发高度靶向性的治疗药物。迄今为止，人们所了解的蛋白结构，大多离不开 X 射线晶体学技术。一个世纪以来，许多诺贝尔奖成果都得益于这一技术。然而，倘若科学家利用 X 射线晶体学技术研究蛋白质结构，需要用许多已知数据，来填补数据的缺口。 　　现在，来自马克斯普朗克医学研究所的科学家与美国SLAC国家加速器实验室合作，开发出了一种 X 射线新技术，从头解析了蛋白质的准确结构，构建了该蛋白的完整 3D 模型，这是蛋白结构分析的一个重要里程碑。 　　溶菌酶(lysozyme)是一种已经被广泛研究的蛋白。研究人员使用直线加速器相干光源 LCLS (Linac Coherent Light Source)和复杂的计算机分析工具，从头生成了溶菌酶的准确模型。 　　一直以来，由于许多重要蛋白的结晶体太小，传统的 X 射线技术难以对其进行分析。而 LCLS 的特殊性质能够帮助人们解析更小的结晶体，揭示更多重要的蛋白质结构。 　　在用 X 射线技术确定蛋白结构时，需要综合海量数据以获得足够准确的信号，对于缺乏参考数据的蛋白来说，并不那么实用。而这项最新实验显示，新 X 射线技术可以从头展现未知生物结构的确切信息。 　　早在数十年前，人们就解析了溶菌酶的结构。现在，研究人员利用这一蛋白，来考量新 X 射线技术的准确性。他们将溶菌酶晶体浸泡在含有钆的溶液中，这种金属与溶菌酶结合，能够在 X 射线的照射下产生强信号。研究者们利用钆原子的这种信号，对溶菌酶分子的结构进行了准确的重建。 　　研究人员计划进一步调整和改善这一技术，将其应用于更多更复杂的蛋白质，如膜蛋白。膜蛋白承担了大量的重要细胞功能，是新药研发中的重要靶标，然而人们目前只知道少数膜蛋白的结构。 　　令科学家备受鼓舞的是，由于这项极具里程碑意义的研究，X 射线技术将迎来新的机遇，可以解析更小样本的3D结构。 　　LCLS 在短短几年的应用中就获得了如此成就，这让研究人员相信 X 射线检测设备、相关软件、以及结晶技术的进一步发展，会在不久的将来催生更多的新成果。

安捷伦荣幸成为国际晶体学年全球合作伙伴2014年度与国际晶体学联合会携手合作旨在培养、激励青年科学家 2014 年 1 月 22 日，北京 — 安捷伦科技公司（纽约证交所：A）今日宣布与国际晶体学联合会 (IUCr) 开展全球合作以支持 2014 国际晶体学年，此国际晶体学年是为期 12 个月的项目，由 IUCr 和联合国教科文组织 (UNESCO) 联合主办。该项目包括国际学校参观、研讨会、技术共享与摄影大赛。 安捷伦开发和制造精密的X 射线晶体学仪器与技术，应用于诸如生物、化学、材料科学和地质学等领域。晶体学，即对结晶物质的研究，是一门在原子或分子水平上研究材料结构的学科。由于小分子、蛋白质和其它结晶材料具有紧密、通常高度对称的三维原子排列，因此科学家能够通过使用高强度 X 射线衍射技术确定它们的结构及相关性质。 2014国际晶体学年 (IYCr2014)项目力图提高晶体学的公众认知度，激励青年科学家，在发展中国家推广仪器知识和扩展渠道，并促进国际科学合作。 IUCr 主席Gautam Desiraju 教授说：“晶体学这门学科特别依赖于先进的仪器，因此全世界的晶体学专家都能获得和使用上现代化仪器就显得非常重要，我很高兴安捷伦将与我们携手帮助有理想的青年晶体学专家，即使他们在最偏远和最贫困的地区也可以熟悉最新型仪器，并运用到工作中去。” 安捷伦 X 射线衍射部门总经理 Leigh Rees 博士说：“我们通过参加和资助本地会议、活动、研讨会和学校，长期致力于晶体界研究，晶体学是一门基础技术，可应用到众多科学研究领域，很荣幸能与 IUCr 和 UNESCO 合作来促进这些重要举措。” 安捷伦支持 IYCr2014 的多个关键活动，包括 IUCr-UNESCOOpenLab 和 IUCr“日常生活中的晶体学”摄影大赛。OpenLab 是一种晶体学实验室网络，旨在提高晶体学技术和高水平研究的全球访问性。 安捷伦应用科学家将在发展中国家的客户站点主持本地教学研讨会，这些国家的研究人员可能是首次使用晶体学仪器。 摄影大赛呈献日常生活中的晶体学 “日常生活中的晶体学”摄影大赛邀请有抱负的摄影家提交所拍摄的具有晶体学精神的照片。届时将会有两位获奖者获得资助，参加在加拿大蒙特利尔举办的 2014 年度 IUCr 大会。获奖照片和其它被重点推荐的候选照片将精选至安捷伦/IYCr2014 学术日历中，并在蒙特利尔大会期间展出。 安捷伦还将参加 2014 年度举办的其他 IYCr 峰会和活动，包括 1 月 20 日至 21 日在 UNESCO 总部巴黎举办的开幕式。欲知更多有关安捷伦与 IYCr2014 活动的事宜，请访问：www.chem.agilent.com/en-US/promotions/Pages/iycr2014.aspx。 关于安捷伦科技公司 安捷伦科技公司（纽约证交所：A) 是全球领先的测试测量公司，同时也是化学分析、生命科学、诊断、电子和通信领域的技术领导者。公司拥有 20600 名员工，遍及全球 100 多个国家，为客户提供卓越服务。在 2013 财年，安捷伦的净收入达到 68 亿美元。如欲了解关于安捷伦的详细信息，请访问：www.agilent.com。 2013 年 9 月 19 日，安捷伦宣布将通过对旗下电子测量公司进行免税剥离，分拆为两家上市公司的计划。分拆后电子测量公司名字为是德科技 (KeysightTechnologies, Inc.)，此次分拆预计将于 2014 年 11 月初完成。 编者注：更多有关安捷伦科技公司的技术、企业社会责任和行政新闻，请访问安捷伦新闻网站：www.agilent.com.cn/go/news。

由中国晶体学会举办，南开大学和天津理工大学承办的第7届学术年会，于9.25~28日在天津社会山国际会议中心顺利召开。此次会议吸引到国内外X射线专家从业者包括粉末衍射、单晶衍射、小角散射等，以及相关仪器厂商，约600多人参加。同时，第7届全国晶型药物研发技术学术研讨会也同期举行，堪称晶体研究者的一次盛会。 此次会议的主题是“新时代的晶体学与美好生活”，共收到650多篇论文摘要，安排学术报告293个。设立7个分会场，包括：大分子晶体学、功能分子晶体分会、多晶(粉晶)衍射、非线性光学及激光晶体材料、电子显微学、晶型药物、极端条件晶体材料和小角散射。3天的会议，紧张而紧凑，得到了与会代表的一致好评。大会现场 高松院士作“低配位镧系单分子磁体”大会报告 作为有着100多年历史，从事X射线设备研发、生产、销售一体的仪器厂商，岛津企业管理(中国)有限公司受邀参加了此次会议。并带来了X射线全线产品展示，包括X荧光光谱技术、电子探针显微镜、X射线衍射技术、X射线光电子能谱技术，受到了与会代表的广泛关注。岛津展位关于岛津 岛津企业管理（中国）有限公司是（株）岛津制作所于1999年100%出资，在中国设立的现地法人公司，在中国全境拥有13个分公司，事业规模不断扩大。其下设有北京、上海、广州、沈阳、成都分析中心，并拥有覆盖全国30个省的销售代理商网络以及60多个技术服务站，已构筑起为广大用户提供良好服务的完整体系。本公司以“为了人类和地球的健康”为经营理念，始终致力于为用户提供更加先进的产品和更加满意的服务，为中国社会的进步贡献力量。

2023年7月10-13日，第十四届郭可信电子显微学与晶体学暑期学习班暨纪念郭可信先生诞辰100周年学术研讨会在沈阳召开。与郭可信先生在北京电子显微镜开放实验室一同工作过的部分同事清华大学朱静院士、中科院北京纳米所王中林院士、北京大学彭练矛院士，金属研究所李依依院士、柯伟院士、沈阳材料科学国家研究中心主任卢柯院士，郭可信先生的弟子金属研究所叶恒强院士、浙江大学学术委员会主任张泽院士、瑞典皇家科学院及工程院两院院士斯德哥尔摩大学邹晓冬教授、郭可信先生家属等专家学者共300余人参加了本次会议。20余家与电子显微学相关的厂商参加了本次会议并做了产品和技术推介。7月10日，会议开始之前，郭可信先生家属及出席会议的院士嘉宾等拜谒郭先生铜像并敬献花篮会议执行主席暨组织委员会主席、郭可信教育基金会理事会秘书长、松山湖材料实验室大湾区电镜中心负责人马秀良研究员主持了开幕式，并向所有出席会议的嘉宾表示热烈欢迎和衷心感谢，同时也向与会嘉宾介绍了郭可信教育基金会以及郭可信暑期班的来历及发展历程。会议执行主席暨组织委员会主席马秀良研究员主持开幕式李依依院士、卢柯院士、诺贝尔化学奖获得者以色列理工学院Dan Shechtman教授、德国于利希研究中心Knut Urban教授以及日本显微学会会长东京大学Yuichi Ikuhara教授先后在开幕式上致辞。叶恒强院士简要介绍了郭可信先生生平，王中林院士、朱静院士、张泽院士、彭练矛院士、邹晓冬院士等先后做了学术报告。中国科学院金属研究所李依依院士致辞沈阳材料科学国家研究中心主任卢柯院士致辞以色列理工学院Dan Shechtman教授视频致辞德国于利希研究中心Knut Urban教授视频致辞日本显微学会会长、东京大学Yuichi Ikuhara教授视频致辞郭可信先生亲属郭桦女士致辞中国科学院金属研究所/季华实验室叶恒强院士介绍郭可信先生生平中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士作题为“从电子显微学到微纳能源”的学术报告清华大学朱静院士作题为“量子材料序参量和电子显微学”的学术报告浙江大学张泽院士作题为“从合金相结构到力学性能”的学术报告北京大学彭练矛院士作题为“碳基电子学：从材料到芯片”的学术报告瑞典斯德哥尔摩大学邹晓冬院士作题为“现代电子衍射技术在晶体学中应用——从未知晶体的结构测定到高通量多晶相分析”的学术报告中国科学院金属研究所文化路报告厅会场1956年，郭可信先生响应“向科学进军”的号召回到祖国，先后任职于中科院金属研究所(1956-1985)、中科院北京电子显微镜开放实验室(1985-1996)以及中科院物理研究所(1996-2006)，并于1980年参与发起成立中国电子显微学会。郭可信先生推动了中国电子显微学的快速发展并走向世界，成为中国电子显微事业的重要奠基人和领路人之一，尤其是在上世纪八十年代将中国在准晶合成、电子显微观察和理论诠释方面的研究推至世界前沿，并为电子显微学界培养了大批杰出人才。1999年，由郭可信先生部分弟子们组织发起的“郭可信教育基金会(K.H.Kuo Education Fund)”在美国加利福尼亚注册成立。该基金会为非营利机构，其宗旨是促进科学教育的发展，尤其是电子显微学及相关学科的教育、交流与合作。自2008以来，由“郭可信教育基金会”与地方主办单位共同组织的“郭可信电子显微学与晶体学暑期学习班”每年举办1次，旨在普及电子显微学技术、促进学术交流。其主题在“生物冷冻电镜技术”和“材料电子显微学”间交替进行。到目前为止，材料电子显微学暑期班相继举办在郑州(2009)、沈阳(2011)、苏州(2013)、杭州(2015)、西安(2017)、北京(2019)、重庆(2021)、沈阳(2023)。参加人数逐届增多，在中国电子显微学领域的影响力逐渐上升。poster展现场参会代表参观厂商展位本次研讨会的主题包括但不限于中国电子显微学发展的历史回顾—纪念郭可信先生诞辰100周年；电子显微技术及方法学新进展；基础科学、工业及工程中的电子显微学应用；冶金与材料科学中经典科学问题的再认识与新理解；电子衍射及电子晶体学等材料学前沿研究领域。来自全球知名高校、研究所及厂商等80位学者和技术专家应邀作了专题讲座。作为本届郭可信暑期班的重要组成部分，瑞典斯德哥尔摩大学邹晓冬院士为青年学者及研究生开设了“电子晶体学技术的进展及其在材料结构分析表征中的应用”的专题讲习班；美国内布拉斯加大学李兴中博士开设了“电子衍射模拟和分析的实用软件包——蓝带（Landyne）”的专题讲习班。本次暑期班暨研讨会自始至终学术报告精彩、讨论热烈、学术氛围浓厚，与会人员普遍认为在与国际知名学者的直接交流中夯实了电子显微学基础知识、开阔了学术视野、提高了学术品位。出席会议的嘉宾及参会代表合影会议于2023年7月13日胜利闭幕。

孙俊良教授，北京大学化学与分子工程学院无机固体材料化学课题组负责人、国家杰出青年科学基金获得者，长期从事结构确定方法的发展（包括单晶/粉末衍射、三维电子衍射技术等）和无机固体材料的合成及应用。经过数年的积累与突破，孙俊良教授已然成为我国晶体学研究领域的代表人物之一，在业界享誉盛名。近日，借助第十七届中国科学仪器发展年会（ACCSI2024）契机，仪器信息网有幸采访了孙俊良教授，请他围绕晶体学表征技术的发展与应用等展开分享。点击以下视频，观看采访详情：仪器信息网：请介绍一下您的主要研究方向？孙俊良教授：我现在的研究方向主要有两个。一个是材料的研发，包括电池材料和孔材料；另一个是电子衍射相关表征方法的研发，这个与仪器设备的相关性较强，也是我的一个更加带有标签性的工作。仪器信息网：晶体学主要涉及哪些表征技术？我国的应用水平如何？孙俊良教授：晶体学其实是一个很广的范围，如果从现代晶体学来说，它大约起源于一个世纪前X射线衍射技术的出现，这标志着晶体学真正开始用于结构分析了，后面又有电子衍射、中子衍射等一些比较老的衍射技术，现在把很多的散射、甚至是相关的非弹性散射也放在里面了。当然，早期的衍射技术侧重于一些具有比较高对称性的这种平移对称性，简单来说就是晶体，而现在的衍射技术已经发展到了非晶体材料也能够通过类似的方式去分析，比如“Pair Distribution Function，PDF”，是一种局域结构的分析方法，近几年发展的非常快。仪器信息网：作为中国晶体学会秘书长，请您谈谈材料表征技术对于晶体学的重要意义?中国晶体学会围绕材料表征技术主要开展哪些工作?孙俊良教授：我觉得晶体学能够真正让大家毫无怀疑地去确定物质的结构，可以说是现代科学的一个支柱。通常的材料，也就是固体材料，我们需要知道里面的一个个原子是怎么排布的，因为材料的性能和原子的排布具有很强的关联性。比如大家比较熟知的锂电池材料，要研究锂电池在充放电过程中发生了什么样的结构变化，为什么用着用着电量就下降了，这些都离不开晶体学的原位表征方法。总的来说，晶体学促使了材料的发展，同时材料的发展又给晶体学的表征技术提出了更高的要求，这又促使了晶体学的发展。中国晶体学会每两年举办一次所有专委会一起的年会，平时还会有一些科普或教育性质的研讨会，比如有单晶x射线衍射、粉末x射线衍射、电子衍射、小角散射，后面还会有中子散射以及刚刚提到的局域结构的分析方法——PDF表征技术，希望推动更多国内学者、研究人员能够用到现在全球相对而言快速发展的技术，而不仅仅是二、三十年前就已经发展比较成熟的那些。仪器信息网：请您谈谈对晶体学表征技术的未来展望？孙俊良教授：未来肯定会有一些不定因素，我只能就现在已有的稍微谈一下。现在很多已经发展相对成熟的技术，总体来说还是对静态的观测。如果要观测动态的，当然我们已经可以做到分钟级别的了，但是要观测秒级甚至毫秒级的，就对晶体学提出了很高的要求。这是一个原位的技术，相当于时间分辨，我认为这是未来发展的一个重要趋势。我们以前通常观测的是“完美”的晶体结构，其实材料很多的性能来自于它里面的缺陷，但是晶体学是否能够对这些缺陷进行很好的表征，现在来说还比较困难。当然，通过电子晶体学图像可以看到一些缺陷，但是只能看到局部，有可能这个颗粒里面是这个缺陷，那个颗粒里面是另一个缺陷，那到底缺陷跟它的性能有什么关联，还需要一些比较笼统的、或者统计性更强的技术。现在，PDF分析方法正在往这个方向上走，但是不是会有一些更好的方法？我觉得还是值得大家再去思考、再去发展的。仪器信息网：X射线衍射技术是一门相对古老的技术，上海光源、北京光源陆续投入使用是否会对X射线衍射技术的进一步发展有推动作用?孙俊良教授：从光源上光的质量来说，它显然是比实验室里普通的X射线光源要好很多，那么自然而然是在推动发展。比如做粉末衍射，得到的峰就会更锐一些，信号区分度也更高一些。如果信号很弱，它可以通过产生低背景，然后拿到相对较强的信号。同时强的信号会对分辨率有很好的帮助，像通常说的同步辐射可以观测到微米级的晶体，现在x射线自由电子激光可以观测到百纳米级别。中国的这个技术现在还在发展中，还没有真正把它给建立起来。我相信在未来十年，这个技术在中国能够得到更好的应用。仪器信息网：今年是仪器信息网25周年，请您谈谈对仪器信息网未来有哪些建议或期待？孙俊良教授：我觉得仪器信息网上面的信息还是挺全的，比如粉末x射线衍射仪，基本上把中国市场上主要有销售的企业都包括在里边了，还有丹东通达等国产仪器厂商。近年来，国家对国产仪器特别重视，我相信国产仪器水平会快速提升，仪器信息网以后可以把国产仪器的最新进展多报道一下，这有利于国内整体仪器设备的发展。另外，我也看到仪器信息网上还有一些论坛类的内容，如果能有专家多参与进来，在论坛上多体现设备发展过程中的问题和改进方法、设备使用过程中的问题和解决方法，这将促使国内仪器的研发和使用都再上一个台阶。附：关于ACCSI“中国科学仪器发展年会(Annual Conference of China Scientific Instruments，ACCSI)”始于2006年，已成功举办十七届。每年一届的“中国科学仪器发展年会”旨在促进中国科学仪器行业“政、产、学、研、用、资”等各方的有效交流，力求对中国科学仪器的最新进展进行较为全面的总结，力争把最新的有关政策、最前沿的行业市场信息、最新的技术发展趋势在最短的时间内呈现给各位参会代表。更多第十七届中国科学仪器发展年会精彩内容，请点击链接：ACCSI2024现场直击

我国著名晶体学家、中国科学院院士、中国科学院物理研究所研究员范海福先生因病医治无效，于2022年7月8日14时在北京逝世，享年89岁。范先生真诚质朴，勇于开拓，科研成果独具特色，处于世界领先水平。他是国际上最早提出并成功地将小分子晶体结构分析中的"直接法" 应用于蛋白质晶体结构分析的学者之一。与李方华先生合作在电子显微学研究中引进X射线晶体学方法，创建出高分辨电子显微学中的一种新图像处理技术。将直接法的应用从三维空间拓展到四维以上的空间，使测定晶体的非公度调制结构或组合结构无需依赖于一个假想的模型。今天，我们以《中国科学技术专家传略 理学编—物理学卷4》中的个人传记，纪念和送别这位令人敬重的物理学家。|作者：古元新 郑朝德1早期求学和工作经历范海福1933年生于广东省广州市。父亲原是一位中学教师，后来经商。虽然范海福9岁时父亲就去世，但是父亲给他留下的影响是很深的。小学时。范海福有一次参加学校的重要活动。留影时因站位靠边、靠后，拍出来的照片几乎找不到他的踪影。父亲看后在照片边框上题注："不必居前列，守真不为名；埋头其苦干，昂首迈前程。"父亲对待他人，不论地位高低都一视同仁，并以诚相待，这给范海福留下特别深刻的印象。母亲是一位中、小学教师。她十几岁的时候，因反抗包办婚姻，在一位小学老师的帮助下只身从农村跑到广州。之后，通过半工半读完成了中学学业并考进了大学。母亲使范海福养成了"认理不信邪"的习惯。范海福中学时期就读于广州中山大学附属中学。这所学校有很好的教师、五花八门的学生和比较宽松的环境。老师中对范海福影响较深的有教语文并兼班主任的谭宪昭、教物理的黄杏文和教化学的袁凤文。他们讲课深入浅出、条理清晰，常举一些生动而寓意深刻的例子。他们对学生关怀爱护、诚恳亲切。范海福和谭老师接触更多些。对老师，范海福有时既狂妄又调皮，谭老师总是耐心地引导。范海福对谭老师有过几次无礼的顶撞，终因谭老师的宽容和善意而感到内疚，并打心里对谭老师更加敬重。中学时期，范海福起初只对语文、美术和音乐有兴趣。一位志趣相投的同学是他的好友，那位同学教会范海福吹口琴。不久，他发现范海福的口琴水平超过了自己，于是放下口琴学起了小提琴。范海福又向他求教小提琴。他还是毫无保留地给予帮助。结果，发生在学口琴过程中的事情又重演了。那位同学又放下了小提琴，但丝毫没有影响与范海福的友谊。几十年来，范海福不断地审视自已与同事、同行之间的关系。检香自己在学术上是否能够做到同样的毫无保留。初中二年级时，母亲给范海福买了一本顾钧正编著的《少年化学实验手册》。范海福觉得化学实验好玩，于是在家里搞起一个"实验室"。由于条件所限，不可能完全按照"手册"去做实验，必须找一些代用品和变通办法。这就要求比较彻底地弄清实验的原理并多看几本参考书。为此，范海福跑遍了当时广州市所有他能进得夫的图书馆，从此养成了看课外书和独立思考的习惯。进入高中阶段后，范海福又多了几位喜欢理科的要好同学。他们在课余时间经常一起做无线电和化学实验，探讨课堂内外各种感兴趣的问题。有时也会发生激烈但无伤友谊的争论。争论使他对问题有更深刻的理解，锻炼了思维方法，培养了表述能力。范海福1952～1956年就读于北京大学化学系。他有幸聆听当时国内一流的专家学者讲课。这是范海福打下学业基础、形成思维方法、入门科学研究的关键时期。唐有祺是范海福的晶体学启蒙老师。范海福大学毕业多年后仍得到唐先生许多帮助。大学期间，还有几位老师对范海福以后的科研生涯有重要的影响。傅鹰归国前已是国际知名的胶体化学家。他讲课精辟透彻、风趣幽默。他特别强调学以致用。开学第一课，他就公开期末考试的一道必答题："举一个你亲身经历的例子来说明一条胶体化学的原理"，附带要求："这个例子不能是我在课堂上讲过的，也不能是其他考生举过的。否则你最多只能得3分（5分是满分）"！几句话就让一班学生随时随地注意周围发生的各种自然现象，并试着用刚刚学到的胶体化学原理去加以阐释。这在教学法中堪称一绝。徐光宪为人平易谦和，他在讲课之余还向同学们介绍自己的科研经验，告诫他们，科学研究的路途中会有一些地方"花草很好看"，但是不要因此迷失方向，偏离更重要的目标。周光召是当时给化学系讲课的最年轻老师，也是最受欢迎的老师之一。他讲理论物理的"化学系精简版"。没有现成的教材，来不及写讲义，上课也没有写好的提纲，就手拿一支粉笔，边讲边写。一年下来，用心的同学只要记下关键的话语。抄下黑板上的公式，就成一部好讲义。周先生不仅讲授物理内容，更注重训练思维方法，要求学生对于类似的概念不仅要看到它们的雷同，更要弄清它们的差异。大学三年级时，范海福在大连石油研究所陈绍礼的指导下作科研实习。陈老师是刚从美国归来的青年学者，待人友善诚恳。他的书桌旁有一个许多小抽屉的柜子，里面全是文献卡片。范海福跟陈老师学会了上图书馆查文献，通过对文献资料的分析对比得出自己的推论，然后用实验去检验。大学毕业以后，范海福一直在中国科学院物理研究所（1958年10月以前称为应用物理研究所）工作。2"发明一种新方法，可能比测定十个新结构更重要""发明一种新方法，可能比测定十个新结构更重要" 这是范海福在物理所的导师吴乾章与他第一次见面时说的话。这里说的"方法"，是指晶体结构分析方法。晶体结构分析方法主要有两大类，即以X射线衍射为代表的衍射分析方法和以电子显微术为代表的显微成像方法。电子显微镜的成像过程也可以看作两个相继的电子衍射过程。因此可以说，衍射分析是晶体结构分析的核心。如果入射波在晶体中只被衍射一次，晶体结构同它的衍射效应之间就有互为傅里叶（Fourier）变换的关系。这里说的衍射效应，是指从晶体向不同方向发出的衍射波的振辐和初相位。衍射实验可以记录下衍射波的振辐，但是一直还没有普遍适用的方法来记录由晶体发出的衍射波的相位。因此。要想从行射效应的傅里叶变换解出晶体结构，就必须先设法找回"丢失"了的相位。这就是晶体学中的相位问题，它一直是研究晶体结构分析方法的关键问题。1956年范海福在吴乾章的指导下开展了"光学模拟"的研究。其要点是用光学衍射模拟X射线衍射，以了解物体与衍射图之间的精细关系并从中寻找解决相位问题的途径。这项研究在1957年中止。1959年吴乾章按当时中国科学院杜润生秘书长的指示，重新建立了一个从事单晶体结构分析的研究组。吴先生还请苏联专家И. В. Яворский（约 维 亚沃尔斯基）来指导X射线分析工作，请中国科学院数学所干寿仁来讲概率论基础。他们两人对这个组的成长都起了很重要的作用。范海福从这个研究组建立伊始就对当时还处干发展初期的"直接法"产生兴趣。这种方法是要在一定的约束条件下从一组衍射振幅"直接"推定相应的衍射相位。1965年范海福发表了他最早的两篇直接法论文。第一篇论文提出将直接法与重原子法相结合的思路，后来由此衍生出用直接法处理由赝对称性引发的"相位模糊"（phase ambiguity）问题；第二篇论文提出将直接法与同晶型置换法或异常衍射法相结合的思路，这是直接法进入结构生物学领域的一个发端。这两篇论文得到本所吴乾章、吉林大学余瑞璜、中国科学院副院长吴有训的鼓励和支持。可惜这方面的研究很快就进入了持续十多年的"冬眠"时期。尽管如此，已经发表的论文还是留下了一点历史的印记。国际著名的晶体学直接法专家C. Giacovazzo在其1980年出版的专著中以近3页的篇幅详细地引述了他的这几篇论文。1980年的晶体结构分析方法研究组。左起：古元新、郑朝德、千金子、许章保、范海福、韩福森 、郑启泰3.走出传统领域"文化大革命"期间，国际上的直接法研究得到飞速发展，并逐渐在小分子晶体结构分析领域取得主导地位。它成十倍地提高了解析小分子单晶体结构的能力和效率，有力地推动了结构化学的发展并促成了基于小分子的药物设计的创立。为此，直接法的两位先驱J. Karle 和H. Hauptman于1985年获得诺贝尔化学奖，在庆贺之余，不少人在问：诺贝尔奖之后的直接法研究还能做些什么？1987年第十四届国际晶体学大会期间为庆祝 Karle 和 Hauptman 获得诺贝尔奖，举办了一个学术报告会。主席是直接法先驱之一，英国皇家学会会员M. M. Woolfson。报告人连Hauptman和Karle在内共有5人，范海福是其中之一。他以"Outside the traditionalfield"为题作报告提出，诺贝尔奖之后的直接法应该走出传统领域去开拓新的应用。他指出了4个发展方向∶（1）从单晶分析到粉晶分析；（2）从X射线晶体学到电子显微学；（3）从周期性晶体到非公度晶体；（4）从小分子晶体到生物大分子晶体。其实，那时范海福和同事们已经在"（2）"、"（3）"、"（4）"3个方面展开了工作，并已取得了初步的成果。9年后，1996年第17届国际晶体学大会的一个分会主席 S. Fortier 在她的总结报告中采用了上述提法。其报告的开头写道∶"这个小型报告会Direct Methods of Phase Determination的着重点正如范海福所概括的，是直接法的应用向传统领域之外转移；从小分子到大分子；从单晶到粉晶；从周期结构到非公度结构；从X-射线数据到电子衍射数据。"自20世纪80年代中、后期至今，我国在上述4个领域中的3个领域一直具有重要的国际影响。1978年范海福（后排左2）初出国门，随中国晶体学代表团（团长唐有祺教授，前排左2）在英国晶体学家、诺奖得主Dorothy Hodgkin（前排左1）家中做客4.从X射线晶体学到电子显微学高分辨电子显微学是研究固体材料微观结构的重要手段。许多材料由于晶粒太小或缺陷严重而不适于X射线分析，却宜用电子显微镜观察。然而，高分辨电子显微像往往因电子光学系统的像差而严重畸变；其分辨率又远低于相应的电子衍射图，在多数情况下不足以辨认单个的原子。因此，高分辨电子显微像需要经过特殊处理才能反映出物体内部的结构细节。国外常用的处理方法，实验量大、计算繁复，而且事先对被观察试样的结构要有个大致的了解，这就局限了高分辨电子显微学的应用。另一方面，X射线晶体学中的直接法实质上是一种特殊的图像处理方法。在高分辨电子显微学中引入直接法，将可创立新的图像处理技术。从20世纪70年代起，范海福与李方华合作，建立了用于高分辨电子显微学图像处理的新方法。这一方法将衍射分析与显微成像结合起来。与原有的方法相比，所需的实验工作量较少，计算过程也较简捷。尤其是无需对被测试样的结构预先有所了解。具体的处理过程分为两步：第一步是图像解卷，即利用衍射分析中的算法消去由像差引起的图像畸变；第二步是提高分辨率，先由校正过的电子显微像经傅里叶变换求出低分辨率衍射点的相位，然后结合电子衍射图的信息，通过直接法相位外推获得接近衍射分辨极限的结构像。这一方法曾成功地用于处理一张Bi-2212高超导体的高分辨电子显微像。经过处理后的图像，除校正了畸变外还将图像的分辨率从2 提高到1 ，Cu-O层上的氧原子也清晰可见。1987年与夫人李方华院士在悉尼海滨5.从周期性晶体到非周期性晶体通常，晶体结构分析都假定晶体具有严格的三维周期性。但是实际的晶体都有缺陷，基于衍射效应的晶体结构分析只给出大量晶胞的平均结果。在实际的晶体中，原子往往会发生取代、缺位或偏离平均位置等缺陷。如果这种缺陷的分布本身具有周期性，就形成所谓调制晶体。缺陷分布的周期若为晶体周期的整数倍，即形成公度调制结构或称超结构。缺陷分布的周期若非晶体周期的整数倍，则开形成非公度调制结构。非公度调制是晶体缺陷长程有序分布的一种形式，它对晶体的性质有重要影响。目前国际上用于测定非公度调制结构的流行方法均在某种意义上属干尝试法。其要点是先假定一个调制模型，算出其衍射效应，然后同实验结果比较，并据此对模型进行调整和修正。这种方法费时、费事，易出差错。因此，有必要建立一种更直接、更有效的方法以代替尝试法。非公度调制结构就其整体而言，在三维空间不具备严格的周期性。但是，它可以表示为一个n-维（n3）周期结构的三维"截面"。因此，先对那个-维周期结构求解，然后用一个三维的"超平面"去"切割"所得的n-维结构，就可以导出三维空间中的非公度调制结构。为了在维空间中求解晶体结构。首先需要将现有的晶体结构分析方法从三维室间推广到多维空间。范海福等人在1987年首先将直接法推广到多维空间，建立了直接法测定非公度调制结构的理论。这一方法曾用于研究高Tc 超导材料Bi-2223晶体的非公度调制结构。有关结果由赵忠贤在1991年的诺贝尔庆典报告会上向国际超导界展示。范海福和同事们还将用于电子显微学图像处理以及用于从头测定非公度调制晶体结构的直接法综合到一个程序句 VEC（Visual computingin Electron Crystallography）中。该程序包自2000年在网上发行以来，已有来自60多个国家和地区的一千多人下载。6.从小分子晶体到生物大分子晶体蛋白质的晶体结构分析是结构生物学的重要实验基础。晶体结构分析的理论和实践水平，直接关系到结构生物学的发展。结构未知的蛋白质可分为两类。其中一类虽然本身的结构未知，但是有结构已知的同源类似物可供参照；另一类则是"完全未知"的，也就是没有结构已知的同源类似物。前者在近年来解出的蛋白质结构中约上70%。后者所占比例较小然而更难解决。测定前者的主要方法是"分子置换"（MR）法，测定后者的主要方法是"多对同晶型置换"（MIR）法和"多波长异常衍射"（MAD）法。MIR和MAD有一个共同的缺点，就是对试样制备有特殊的要求，而且实验量和计算量都较大，遇到晶体试样不易制备或者晶体易受辐照损伤的情况就不便使用。因此，用单对同晶型置换（SIR）法或单波长异常衍射（SAD）法来代替就是合乎逻辑的出路。但是，从SIR或者SAD的实验数据不能唯一地确定衍射相位。在多数情况下每一个衍射点的相位都有两个可能的解（双解）。要利用SIR或SAD数据，必须设法解决这一问题。1965年范海福提出用直接法破析SIR或SAD的相位双解问题。1982年H. Hauptman发表了一篇整合直接法和SAD数据的论文（Acta Cryst.，1982，A38∶632-641）。其目标与范海福在论文中提出的相同，但方法各异。Hauptman还以"Direct methods and anomalous dispersion"（直接法与异常散射）作为他1985年诺贝尔奖获奖演说的题目，表明他在"诺贝尔奖之后"将以此为研究重点。从1983年起，世界上著名的直接法研究小组纷纷投入这方面的研究。由此掀起的"国际竞争"一直延续了大约20年。在中国，范海福和同事们在原先的基础上作了重大的改进和发展，干1984～1985年间发表了5篇论文。这些文章得到国际同行包括竞争对手的肯定评价。1988年应中国科学院邀请，美国科学院派出了一个"生物技术"代表团到中国考察。当时中国科学院没有安排他们访问物理研究所。但是他们在其考察报告Biotechnology in China（美国科学院出版社，1989）一书中，仍然认真地评述了范海福和同事们在20世纪80年代中期的工作（见原书32-33页）∶研究精选在文献调查中显示，中国的某些研究已经达到国际水平。下节介绍那些在基础和应用生物技术方面前景最好的项目… … X射线晶体学… … 在北京物理研究所，范海福及其同事们已经使用概率相位推演方法测定越来越大的生物分子的晶体结构。他们是最早发展并使用随机起始、从头相位推演技术的一员。这一方法的优点在于无需对重原子衍生物在不同波长下作重复的测量。最近范（海福）小组用2分辨率的X -射线单波长异常散射数据重新测定了 avian pancreatic peptide 的结构，以此展示其方法的精确性。这一方法终将能够直接测定一系列肽和蛋白质的结构。这对蛋白质工程将有广泛和重要的潜在意义… … 范海福和同事们的后续研究，印证了美国考察团的预言。1990年，他们用直接法推定一套2.0 分辨率的SAD数据的相位，获得可以跟踪解释的电子密度图。1995年，他们进一步提出用直接法和"电子密度修饰法"协同处理蛋白质的SAD数据，并用3.0 分辨率的SAD数据证实这样的方法可以解出蛋白质streptavidin的晶体结构。这个结构原本是用3倍于SAD的MAD数据解出的。1998年，英国的同行用范海福和同事们所发展的方法和程序从2.1 分辨率的SAD数据解出一例原属未知的蛋白质晶体结构（Acta Cryst.，1998，D54∶629-635）。2000年，基于范海福等人的方法编写的程序OASIS被国际上使用最广泛的蛋白质晶体结构分析程序库CCP4 正式采用。成为其中用干推演SAD或SIR衍射相位唯一的直接法程序。进入21世纪以来，范海福和同事们针对蛋白质晶体学的直接法研究又有新的进展。2004年，他们提出SAD或SIR衍射相位的"双空间迭代"方法，将原有方法的功效提高了好几倍，同时使直接法在蛋白质晶体结构分析中从相位推演的环节进一步渗透到自动建模的环节。2007年，他们又提出无需SAD或SIR信息的"结构碎片双空间迭代扩展"方法。这一方法使直接法得以同蛋白质晶体结构测定中使用最多的分子置换（MR）法相结合并显著地提高了它的功效。同时，也使直接法扩大了在"自动建模"这一重要环节中的影响。2004～2009年，范海福和同事们完成了OASIS程序的3个更新版本。OASIS程序已经被国内外（包括中、英、法、美、日、德）的结构生物学家使用，解出多例用其他方法难以解决的蛋白质晶体结构。OASIS的2006版本已被CCP4的最新版本（2008）采用以代替原有OASIS 2000版本。此外，欧洲分子生物学组织EMBO所建立的、向世界各科研单位提供网络在线服务的蛋白质晶体结构分析自动化流水线 Auto-Rickshaw 从2006年起采用OASIS作为执行相位信息和结构模型循环迭代的关键程序。1996（或1997）年10月，左起：章综、范海福、蒲富恪、李荫远、梁敬魁、李方华，在物理所A楼2层接待室7.躬耕不息已过古稀之年的范海福仍然坚持在科研第一线。他和同事们一起讨论、研究工作的具体细节，评估学科发展趋势，提出新的目标并为此和同事们一起协同工作。长期与范海福一起工作的同事们的感受是；他在科研团队中既是"帅"又是"将"和"兵"。他不仅把握研究方向、选定课题，还会亲自动手。像主要由其他同事完成的SAPI和OASIS程序，他都亲自参与了一部分代码的编写。他熟知团队中每个人的能力和特点，善于调动每个人的积极性。范海福认为在科研团队中应该有和谐皆的氛围。而"和谐"应该以相互了解、相互尊重为基础。他会时常自问，是否每—位同事的劳动都得到了应有的尊重？范海福对年轻人的要求是严格的。他布置的任务定会跟踪检查；另一方面，他会无保留地向年轻人介绍自己的经验和教训，详细地解释每一个选题的思路，注意在学术上给年轻人提供自由发展的空间。8.人云不亦云两个无机化学实验在大学时期，范海福很得意的两个无机化学实验可能也是他所做的最让老师生气的两个实验。一个是要证实碳酸钙能溶于二氧化碳的水溶液。按当时从苏联搬来的一本实验教程，要将碳酸钙粉末放入盛蒸馏水的烧杯中，然后通入二氧化碳直至溶液成碱性。许多同学做了几十分钟也没有结果。范海福装了半试管澄清的石灰水溶液，然后通入二氧化碳。一两秒钟后就出现白色沉淀，这就是碳酸钙。继续通入二氧化碳，白色沉淀消失，这就说明了碳酸钙能溶于二氧化碳的水溶液。整个实验只用了大约1分钟。另一个实验是要证实碳酸钙加热后可以变成能溶于水的氧化钙，使水溶液呈碱性。"教程"要求把碳酸钙放入坩埚再用煤气灯烧半小时。范海福用一把镊子夹了小块碳酸钙直接放在火焰的外沿，只烧了几秒钟实验就完成了。两个实验连准备带收拾一共不到10分钟（整个实验课是一个半小时），然后他得意地溜出了实验室"自由活动"去了。事后老师批评他不重视苏联"老大哥"的经验和不遵守课堂纪律。范海福只接受了第二项批评。苏联专家1959年，苏联专家И. В. Яворский（约 维 亚沃尔斯基）到物理所指导范海福等人开展 X射线分析工作。范海福从Яворский那里学到不少理论和实践的知识。Яворский对范海福也很满意，经常和范海福单独讨论学术问题（有翻译在场）。有时候，他们之间有学术上的争论。双方都觉得这很正常而日很有好处。但是个别领导却"提醒"范海福∶要尊重苏联专家！范海福的回答是∶"我非常尊敬苏联专家，但这不等于不能表达不同的学术见解"。Яворский回国后不久的1960年，范海福因所谓"对苏联专家的态度" 被批判，并被提升到"反苏"的高度。面对当时的环境，范海福并没有写出哪怕是一个字的"检讨"。事后范海福听说，Яворский回国以后给他来过封很长的信。他确信，那一定是写满友谊和鼓励的信。只可理科学奖。看来有关工作人员和多数评委都宽容了范海福的 "与众不同"。

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晶体学，这个最初为窥探物质原子结构和排列方式而形成的一门学科——至今有100余年历史，且已获颁23项诺贝尔奖。然而，这门学科的基础研究犹如科学界的一门“古老手艺”，人才渐缺、关注渐少。　　郭建刚是个“逆行者”。这个中国科学院物理研究所“80后”研究员执着地相信：百余年来沉淀下的晶体学知识在当今依然具有强大生命力，“认识全新物质体系，要回到最根本、最基础的结构。虽越基础、越困难，但也越重要。”　　传统科学与新月的碰撞　　正如月球研究，晶体科学就提供了新视角，而后获得了新发现。　　2020年，我国嫦娥五号从月球背面带回1731克的月壤样品。经过激烈地竞争答辩，郭建刚所在的先进材料与结构分析实验室获得了1.5克的月壤样品。　　拿到珍贵的最新月壤样品，郭建刚抑制不住内心地兴奋，这是他的研究课题第一次触及“太空”。　　“月球土壤与我们在地面上看到的土壤类似，是一些矿石经过不断风化，逐渐变成细碎的土壤。”郭建刚介绍。　　与大多形态形貌研究不同，他们想借助自身优势，在更深、更细处探索未知，剖析月壤内部结构与原子分布状态，试图“见微知著”，了解太阳风化和月球演变等。　　装在白色透明小瓶里，月壤犹如碳粉一般，呈黑色粉末状。郭建刚首先要做的是“挑样”——在数十万个颗粒中挑出微米级大小的晶体，这是项考验耐心的技术活。　　晶体的大小约等于一根头发丝直径，郭建刚站在手套箱前、紧盯着显微镜，寻找着在特殊灯光照射下反射亮光的晶体，然后屏住呼吸，利用一根纤细挑样针的静电效应，小心翼翼“粘”出。　　他和学生两人一组，反复这一连串动作，每次需要持续3小时。为保证安静环境，他们常常在深夜工作，结束时身体僵直、眼睛酸胀、几近“崩溃”。　　实验室窗台上的几盆被拔“秃头”的仙人球见证着他们的付出，他们需要使用仙人球的刺来“粘”住微米级晶体，放置在四圆衍射仪和高分辨透射电镜上测试晶体结构。　　郭建刚知道，我国嫦娥五号采集的月壤样品属于最年轻的玄武岩，且取样点的纬度最高，为探究月壤在太空风化作用下的物质和结构演化提供了新机会。挑选样品的质量，在一定程度上或许决定了能否把握住这次机会，因此，必须仔细再仔细。　　郭建刚和团队在月壤样品中找到了铁橄榄石、辉石和长石等晶体，经过测试，在铁橄榄石表面发现了非常薄的氧化硅非晶层，这其中包裹着大小为2到12纳米的晶体颗粒，通过系统的电子衍射及指标化、高分辨原子相和化学价态分析，确认它们是氧化亚铁，并非此前在其他月壤样品中发现的金属铁颗粒。　　他们还在铁橄榄石中还观察到了分层的边缘结构，这种特殊的微结构首次在月球土壤中看到。　　扎实的数据得到了美国行星之父、匹兹堡大学地质与行星科学系教授Bruce Hapke的肯定：“这种橄榄石晶体的边缘结构是独特的。”　　“我们确认了铁橄榄石在太空风化作用下出现了分步分解现象。通过表面微结构和微区晶体结构分析，我们首次在铁橄榄石的边缘确认了氧化亚铁的存在，表明矿物在风化过程中，经历了一个中间态，而非一步到金属游离铁，这将有利于进一步理解月球矿物的演变历史。”郭建刚说。　　越基础，越重要　　2008年，从吉林大学硕士毕业，郭建刚来到物理所跟随陈小龙研究员攻读博士学位。在团队里，他感受到的第一个研究“逻辑”就是，要想得到或利用一个材料，首先要想办法弄清楚材料最基本的晶体结构，理解原子之间的排布与结合方式。　　“是什么、为什么、能做些什么，这是我们要探索全新体系时要回答的三个基本问题。”他至今记得，博士期间，按照这条“底层逻辑”，做出了第一个让他惊奇的超导新材料。从此，他便更加热爱晶体科学。　　“晶体，尤其是超导这类单晶，非常重要，在电力运输、磁悬浮等有着广泛应用，若原子微观结构不清楚，很难理解和优化其物性，离应用就更远了。”郭建刚说。　　的确，对物质晶体结构的了解，有助于在物质内部微观结构、原子水平的基础上，阐明物质各种性能，并为改善材料的性能、探索新型材料和促进材料科学的发展提供重要科学依据。　　10余年来，郭建刚一直牢记着这个“逻辑”。他以探索电磁功能材料和生长晶体为主要方向，以理解晶体结构为出发点，研究材料的物性和晶体结构之间的关系，取得了诸多重要成果。　　2010年，还在读博期间，郭建刚在国际上最早制备出了碱金属钾插层铁硒超导体系，其最高超导转变温度为30 K，创造了当时常压下FeSe基化合物超导转变温度的最高纪录。　　该成果开辟了国际铁基超导研究的新领域，所开创的研究方向‘Alkali-doped iron selenide superconductors’被汤森路透《2013研究前沿》和《2014研究前沿》列为物理学10个最活跃前沿领域之首和第7名，将其发展成了与铁砷基并列的第二类铁基高温超导体。　　他成功地解决了较小尺寸碱金属钾插层铁硒的难点，制备出了纯相的钠插层铁硒超导体，进一步将超导转变温度提高至37 K。　　弄清晶体结构，会大大缩短新型材料探索时间、加速解决实际问题。　　郭建刚介绍，用传统方法合成一个新材料，需要不断地试，因为不知道哪些组分、温度等合适，试的足够多，可能会碰到一个新的，但试错法效率低、成本高。而弄清楚了晶体结构，就能了解某一类材料中物性的决定性单元（也称功能基元），再以此为基础，发展新的材料体系，“比如要制备一个新材料，有3个组分，通过晶体结构分析，我们能发现决定材料物性的功能基元，就能够以相应的物性为导向，高效地探索新材料和新效应。”　　即以不同功能基元为基础，调控基元的排列方式，或通过调控功能基元里配位的原子种类和数目来改变其电子结构，制备新高温超导晶体体和诱导新效应。　　基于这一思路，由陈小龙牵头，郭建刚作为第2完成人所承担的挑战性课题“基于结构基元的新电磁材料和新效应的发现”，荣获2020年度国家自然科学二等奖，这项成果解决了由功能基元出发、高效探索新材料和新效应的若干关键科学问题，推动了无机功能材料科学的研究与发展。　　肩负重任的新生力量　　在先进材料与结构分析实验室，作为青年科学家的郭建刚，肩负延续学科发展与服务国家需求新的重任。　　“老一辈科学家的事迹和精神始终鼓舞着我。”郭建刚说。“陆学善院士和梁敬魁院士分别是中国著名的晶体物理学家和晶体物化学家，导师陈小龙除了在晶体结构分析和单晶生长具有深厚的学术功底，也是推动碳化硅晶体从基础研究到产业化的先行者之一。　　让郭建刚感触最深的是，老师们总是以一丝不苟的态度，对待基础研究，即使看似很小的工作也做得非常扎实、严谨。　　他一直记得陆学善先生和梁敬魁先生的一个科研故事，上世纪60年代，梁敬魁回国来到物理所，与陆学善合作开展了铜-金二元体系超结构研究，为了达到合金的平衡态，需要诸多工艺，单是退火处理这一个工艺过程，就需要六个月或者一年时间。他们耐住寂寞，几年之后，获得了一系列长周期的超结构相，其中有的是国外研究者已经研究多年，却始终没有观察到的现象。　　“在很多人看来，这样的研究方法可能比较‘原始’，但恰是这种方法，为科研打下了扎实的基础，产出了诸多原创性成果。”郭建刚说，耐心、潜心是他从老先生那里学到的科学精神。　　在郭建刚看来，今天，研究组在晶体生长领域产生了多项引领性的工作，尤其在碳化硅宽禁带半导体生长与新功能晶体材料探索方面，都是在多年的基础研究积累上取得的。　　碳化硅是一种重要的宽禁带半导体，具有高热导率、高击穿场强等特性和优势，是制作高温、高频、大功率、高压以及抗辐射电子器件的理想材料，在军工、航天、电力电子和固态照明等领域具有重要的应用，是当前全球半导体材料产业的前沿之一和国内“十四五”规划重点攻关的半导体材料之一。　　然而，一直以来，用于应用研究的大尺寸单晶存在较多难以突破的关键科学和技术问题，严重影响器件性能，诸多关键技术和设备面临着国外封锁。　　近年来，针对相关难题，在陈小龙的带领下，郭建刚在扎根基础研究的同时，与团队共同推动研究成果产业转化，获得了2020年度中国科学院科技促进发展奖。　　“最大的挑战是基础研究领域的突破，在晶体研究领域，我们还需要更细致、更系统和更‘原始’的研究。”郭建刚深知，基础科学问题的突破将会极大地提高晶体的质量和应用范围，给学术和产业界带来巨大变革，但攀登科学高峰这条路必定不轻松，还好，有热爱，可抵漫长岁月。

晶体之秘，一镜解之长期以来，材料科学研究一直围绕着材料的结构－性能关系展开。对于绝大多数材料，晶体结构及各类缺陷决定了其性能和使役行为。因此，分析表征材料的晶体结构及缺陷是材料研究的核心内容。自从德国电气工程师 Ernst Ruska 与 Max Knoll 发明了电子显微镜后，经过近百年的不断发展，电子显微术已成为材料晶体结构及缺陷表征最常用、最有力的工具之一，是材料研究不可或缺的重要手段。电子显微术的发展和应用极大地拓展了人们对材料结构的认知，推动了材料科学的迅猛发展，催生了众多的高性能新材料。“中国相”的发现1、1946年夏，郭可信从浙江大学化工系毕业后通过公费留学考试，于1947年9月到瑞典斯德哥尔摩的皇家理工学院金相学实验室专攻冶金学，其间主要利用X射线衍射方法研究合金中的相结构。后来逐渐接触电子显微镜，用的是当时瑞典唯一的一台RCA电镜，没有衍射功能。2、1955年，郭可信用萃取复型法研究合金钢回火初期生成的碳化物，同年11月去伦敦作“δ－铁素体的金相学”的学术报告，并去剑桥大学参观。郭可信用胶膜（萃取）复型观察到几十埃大小的VC颗粒及针状Mo2C，这是V、Mo在钢中产生晶粒细化及析出硬化（或二次硬化）的原因， 于是在1956年写了一篇文章。这是用电镜进行这类研究工作的早期著作。3、1956年3月， 郭可信看到周总理“向科学进军”的动员令，兴奋不已，４月底乘机经苏联回到阔别九年的祖国，任职于中国科学院金属研究所。之所以来到沈阳工作，与那时金属所有一台苏联人仿制西门子的透射电镜不无关系。4、1962年中国科学院又分配给金属所一台民主德国产的电镜，仍然不能做电子衍射。郭可信等用它观察到铝合金中的位错运动和交滑移，并在1964年第4届欧洲电子显微学会议上做了展示。1965年金属所又争取到一台日本电子株式会社生产的JEM-150电镜， 用它开展镍合金中位错、层错的衍衬像研究。5、6、1967年夏，中国科学院分配给金属所一台之前通过贸易定购的捷克产电镜。郭可信带领其他人居然把这台捷克电镜安装起来，并调试出十几埃的电子显微像。7、60年代中期至70年代中期， 郭可信亲自在JEM-150电镜上做了些相分析工作，发现M23C6与M6C 都属面心立方晶系。为了得到三维的不同取向电子衍射图，他还和北京分析中心的孟宪英利用她的JEM-100电镜开展了倾斜晶体的实验， 确定了一些含钒矿物的点阵类型， 后来这种技术在国内得以广泛传播。8、改革开放之后的1980年，郭可信了解到院里准备引进一两台电子显微镜， 随即便去北京争取，并向郁文秘书长立下军令状，保证在电镜安装后三年内做出出色成绩。这样，院里决定为金属所订购一款当时分辨率最高的透射电镜，型号为JEM200CX。郭可信带领研究团队统筹安排诸多研究方向，相继取得了一批具有国际领先水平的研究成果：在四面体密堆晶体(Frank-Kasper相)的电子衍射图中观察到五次对称的强电子衍射斑点，并给予正确的诠释；独立在Ti-Ni合金中发现具有五次旋转对称的三维准晶（被西方学者称为“中国相”）；首先发现八次、十次旋转对称的二维准晶；首先发现一维准晶；首先发现具有立方对称的三维准晶，并阐明准晶的必要条件。9、这些工作将当时中国的准晶研究引领至国际前沿。通过这台电镜完成的研究工作共培养出硕士、博士和博士后共计36名， 其中有２人当选为中国科学院院士。相关研究成果获国家自然科学奖一等奖和四等奖各1项，中国科学院自然科学奖和科技进步奖4项。10、2000年后，这款已经服役近30年的 JEM200CX基本不能处于正常工作状态了。2016年，金属所把该电镜的镜筒做了解剖，整机摆放在研究生教育大厦（郭可信楼）一楼大厅供学习和参观。以上图文选自《晶体结构与缺陷的电子显微分析实验案例》一书，更多有关电子显微镜历史发展和科学家精彩故事请详阅本书。回到科学初心，用实验案例探索晶体的奥秘书名：晶体结构与缺陷的电子显微分析实验案例书号：978-7-04-061096-3作者：马秀良 著定价：149.00元出版日期：2024年1月01 内容简介本书涵盖作者自20世纪80年代末师从郭可信先生起至近年带领研究团队在有关电子衍射方面所积累的主要实验案例，旨在以“案例”的形式梳理电子显微学及晶体学的基础知识，展示如何通过对材料基础科学问题的再认识，从而对经典问题产生新理解，分享发现的乐趣，传授30余载的学术经验。本书主体（第2～6章）按晶体的对称性从低到高依次展开，包括单斜、正交、四方、六方、三方、菱方、立方晶系，涉及周期性晶体14种布拉维点阵中的13种点阵类别以及部分准晶体，共40余种物相。第1章和第7章是科学研究中相关历史事件的精彩片段，不但能引起读者对本领域历代先驱者的无限敬仰，也能激发年轻学者投身于基础科学研究、探索自然奥秘的热情和决心。本书适合作为电子显微学以及材料相关专业研究生的教学参考书，也可供材料科学与过程领域的科研工作者和从业者阅读和参考。02 作者简介马秀良，满族，1964年出生于辽宁省东沟县。1988年毕业于大连理工大学材料工程系。曾师从我国著名科学家郭可信先生，在中国科学院北京电子显微镜实验室和大连理工大学从事 AI 基合金中十次对称准晶及复杂合金相的冶金学和晶体学研究，1994年获博士学位，1995—2005 年先后在德国多特蒙德大学，日本精细陶瓷研究中心、东京大学，中国香港城市大学，以及德国鲁斯卡电镜中心等从事固体材料结构与缺陷的高分辨电子显微学研究，2001—2022年为中国科学院金属研究所研究员，先后任沈阳材料科学国家(联合)实验室固体原子像研究部主任(2006—2018)，沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部主任(2018—2022)，金属研究所第十二届学术委员会主任(2019—2022)。现任中国科学院物理研究所研究员、松山湖材料实验室研究员、大湾区显微科学与技术研究中心负责人。院士推荐

300mm大硅片是集成电路制造不可或缺的基础材料，对整个集成电路产业的发展起着关键支撑作用。针对我国集成电路制造行业对低氧高阻、近零缺陷等硅片产品的迫切需求，亟需解决大直径、高质量硅单晶晶体生长技术中的氧杂质输运、晶体缺陷调控等基础科学问题，进而开发大直径单晶晶体生长技术，实现特定的晶体杂质、缺陷的人工调控，满足射频、存储等领域的应用需求。 　　近日，中科院微系统所魏星研究员团队，在300mm晶体生长的数值模拟研究领域取得重要进展。该团队自主开发了耦合横向磁场的三维晶体生长传热传质模型，并首次揭示了晶体感应电流对硅熔体内对流和传热传质的影响机制，相关成果于2023年05月以 “Effects of induced current in crystal on melt flow and melt-crystal interface during industrial 300 mm Czochralski silicon crystal growth with transverse magnetic field”为题，发表在美国化学会旗下晶体学领域的旗舰期刊《Crystal growth & design》上。 　　在本工作中，通过对比三组仿真结果，系统的分析了晶体电导率、磁场强度、晶转速率这三个关键参数对晶体内感应电流的影响，进而分析了其对熔体对流、温度分布和界面形状的影响。结合实验数据，模型准确性得以验证，并预测了建模所需的合理的晶体电导率。研究结果表明，当晶体中感应电流增加时，界面下强制对流的驱动力逐渐从离心力转变为洛伦兹力，并改变强制对流的旋转方向，从而影响固液界面形状。这项研究弥补了传统模型的忽略晶体感应电流的不足，首次系统地揭示了晶转引起的感应电流以及关键工艺参数对传热传质、固液界面等的影响，大大提高了仿真结果的准确性，为近零缺陷硅片产品晶体生长技术的优化提供了理论支撑。 　　中科院上海微系统所陈松松助理研究员为文章的第一作者，魏星研究员为通讯作者。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所原名中国科学院上海冶金研究所，前身是成立于1928年的国立中央研究院工程研究所，是中国最早的工学研究机构之一。中国科学院上海微系统与信息技术研究所学科领域为：电子科学与技术、信息与通信工程；学科方向为微小卫星、无线传感网络、未来移动通信、微系统技术、信息功能材料与器件。图 1 模型示意图2 (a)晶体感应电流，(b)强制对流驱动力示意图和熔体自由液面温场、流场分布图

2009年2月，国际期刊《自然》发表题为《中国晶体——藏匿的珍宝》的采访调研文章，认为中国禁运氟代硼铍酸钾晶体（KBBF），将对美国功能晶体相关领域的研究和发展产生严重影响，并断言“其他国家在晶体生长方面的研究，还无法缩小与中国的差距”。该文的缘起是中国2007年正式宣布停止对外提供KBBF，美国人不惜重金请求购买或邀请相关中国专家去美国工作，都被严词拒绝。中国科学家用国际领先的自主创新成果在高技术领域对美国说“不”。从20世纪60年代开启理论研究，到80年代研制出低温相偏硼酸钡晶体（BBO）、三硼酸锂晶体（LBO），再到90年代研制出KBBF，中国科学院福建物质结构研究所（以下简称福建物构所）等单位的科学家，打破了中国在晶体生长领域仿制、跟跑的局面，让“中国牌”晶体闪耀世界。几十年过去了，“中国牌”晶体这个“老字号”更显创新活力。很难想象，当年研发“中国牌”晶体的科学家们经历了怎样的奋斗历程。不跟在外国人后面走材料是人类社会进步的里程碑。作为一类重要材料，晶体指能自发生长成规则几何多面体形态的物体。随着科技进步和经济发展，人工功能晶体已成为激光设备等不可或缺的基础材料。激光技术是20世纪“四大科技发明”之一。作为激光设备的上游关键部件，非线性光学晶体可以将某一频率的激光转换成另一频率的激光。20世纪60年代初，国外已发现一些非线性光学晶体材料，而中国尚未研发出自己的晶体。整体看，国际上非线性光学晶体研发都相对滞后，导致激光器进一步应用乏力。功能晶体乃至所有功能材料的性能，都取决于其组成和结构，而这需要专业人才深入研究。在那个年代，我国缺乏这方面的人才，谁来研发“中国的晶体”？1945年，我国结构化学领域开拓者卢嘉锡留学归国，组织队伍开启晶体材料研究，并在国内首次招收以结构化学专业为主的研究生。卢嘉锡1955年当选中国科学院化学学部委员，1981年至1987年任中国科学院院长。在美国留学期间，卢嘉锡在美国国家科学院院士鲍林的指导下，利用X射线和电子衍射法技术分析研究晶体结构和分子结构；他所设计的卢氏图表载入《国际X射线晶体学用表（第二卷）》，被国际化学界应用了几十年。国外晶体研究已开展数十年，我国如何赶超？基于对国际国内晶体研究的分析，卢嘉锡认为探索新晶体材料，不应受国外学术思想束缚，跟在外国人的后面走，而应在分析、总结国外已有工作基础上走自主创新之路。“打造科研平台很关键。”福建物构所所长曹荣介绍，1959年，中国科学院福建分院设立并筹建技术物理所、化学所等6个研究所和生物物理研究室。卢嘉锡一直构想建立现代化物质结构研究室，福建分院的设立让他看到了希望。1960年，卢嘉锡经过深思熟虑，向中国科学院和福建省委提出将福建分院筹建的“六所一室”整合，最终形成福建物构所，卢嘉锡为首任所长。自此，卢嘉锡带领福建物构所的研究团队开始研制非线性光学晶体。卢嘉锡（左）指导福建物构所青年科技人员工作。让人匪夷所思的重大发现当时，我国缺乏技术、没有经验和专业人才，只能从仿制起步。由于没有理论指导，工作很快就遇到瓶颈。那时科研条件极为简陋。建所之初，主体建筑是一幢四方形平房，人员主要是复退军人和大中专毕业生，办公和仪器设备是从其他学校搬来的，吃饭就在临时搭建的竹棚里。 创办初期的福建物构所。即便如此，卢嘉锡还是凭借研究积累，部署了结构化学、非线性光学晶体等研究方向，希望从结构化学角度探讨晶体和分子结构、电子结构之间的关系。构想有了，关键是靠大团队联合开展大攻关。为此，卢嘉锡想方设法从高校调来理论物理等专业的毕业生，陈创天（2003年当选中国科学院院士）就是其中之一。那是1962年，陈创天25岁，刚从北京大学物理系毕业。到福建物构所没几天，卢嘉锡就找到他，语重心长地说：“研究所搞的是结构化学，你的研究重点要从理论物理向结构化学转移。”卢嘉锡给陈创天介绍了基本知识并列出参考书单，嘱咐他“可边工作边学习，不懂可来问我，相互切磋”。此后3年，陈创天系统学习了结构化学知识，最终选择非线性光学材料结构和性能之间关系为研究方向。1976年，苦心钻研10年后，陈创天提出阴离子基团理论，找到了非线性光学晶体材料宏观效应与微观结构间的关联。次年，他被任命为非线性光学材料探索组组长。据介绍，当时研究所几乎一穷二白，一群怀揣梦想的年轻人自己动手创造科研条件，如自行组装激光器、测试设备等。1979年，研究组发现BBO是一种非常有希望的新型材料。3年后，他们终于生长出大块BBO。 BBO晶体。中国科学家以翔实的数据和无懈可击的实验证明了BBO是非中心对称的晶体，在200纳米至350纳米波长范围内，其透过率可达80%以上。1986年，陈创天在美国参加一个国际激光与光电子会议，向全世界宣布成功研制出BBO，引起轰动。业界赞誉这是中国人按照自己的科学思想创造出的首块“中国牌”晶体。吴以成（2005年当选中国工程院院士）正是那一年在福建物构所获得博士学位。他回忆：“陈老师告诉我们，他发言结束后，参会的200多位科学家竟有一多半跟他出去向他进一步了解情况，导致会都没法开了。”福建物构所副所长、国家光电子晶体材料工程技术研究中心主任林文雄1988年被保送到福建物构所读研究生。“教材都把BBO写进去了。”林文雄说，BBO的面世让全世界的科学家感到匪夷所思，他们感受到严峻挑战，认为这样的重大发现不该在中国诞生，而应在美国、日本或欧洲国家。曹荣感慨，福建物构所取得这样的成就，离不开国家的一贯支持，也得益于中国科学院面向世界科技前沿、面向国家重大需求进行的前瞻布局和建制化研究。 福建物构所建所初期的结构化学研究队伍。在高技术领域对外国说“不”正当外国学者为横空出世的“中国牌”晶体感到震惊时，陈创天、吴以成等中国科学家又在1987年宣布一项新的重磅成果——他们发现并生长出第二块“中国牌”晶体LBO。 LBO晶体。与BBO相比，LBO紫外截止波长移到150纳米，是迄今为止实现高功率三倍频输出最好的非线性光学晶体。BBO、LBO分别被美国《激光电子学》杂志评为1987年、1989年“十大尖端产品”。“BBO和LBO的背后，光研究组就有多个，包括理论组、化学合成组、结构分析组、相图研究组、晶体生长组等。大家互相协作、劲往一块儿使，才有这样的结果。”吴以成说。山东大学教授王继扬介绍，当时国内晶体研究界有“三驾马车”，分别是福建物构所、山东大学和南京大学，它们在晶体生长、消除晶体畴等方面各有所长，非常团结又能创新，把晶体研究这个国际上本不受重视的领域变成各国争相研究的焦点。“我国科学家有股迎难而上的拼劲，敢走新路、勇于自主探索。”1988年，福建物构所成立成果转化公司——福建福晶科技股份有限公司（以下简称福晶科技），开启了BBO、LBO商业化之路。“商业化后，外国就眼红了。BBO面世时，中国的专利法还没出台，但LBO研发出来时已有专利法，团队有意识地申请专利将它保护起来。”吴以成说，美国最先坐不住，他们以专利无效为借口和中国打官司，希望能取消中国的LBO晶体专利权。“美国最终没有凭借蹩脚的理由得逞。”吴以成回忆，当时国际上关于LBO的研究成果都是中国科学家发表的，团队把整个研究的详细实验记录等收集起来应诉，最终打赢了官司。这个案例再次印证了团队协作的重要性。“那时候，团队里以林朝熙为代表的知识产权方面的专家就懂得申请专利，他们不是为了报奖，而是要把自主创新成果保护起来。”林文雄说，更关键的是，他们申请的不是晶体生长专利，而是器件专利，很好地避免了国外钻空子侵权。LBO面世前，美国等国家都在基于BBO等晶体开展多倍频研究，中国科学家也在寻求新突破。“我国虽已取得领先成果，但当时科研条件仍很落后。”吴以成举例，LBO晶体生长是在坩埚中进行的，耐温1000摄氏度以上的铂金是做坩埚的理想材料。当时铂金比黄金还贵，一小块就上千美元。“我们每次用完坩埚都要称重，如有损耗须说明。然而落后的科研条件没能阻止我们做出领先世界的重大成果。” 科研人员用提拉法培养晶体。外国对中国科学家的态度，也随着“中国牌”晶体的相继面世，从傲慢转向尊重。吴以成回忆，陈创天讲过这样一件事。 BBO面世前，有位中国学者在美国一家实验室工作，有人不小心打碎了一块杜邦公司生产的非线性光学晶体，中国学者想把碎片带回国研究，但被实验室负责人以保密为由拒绝。没想到数年后，中国就制备出领先世界的BBO。20世纪90年代，陈创天在日本访问期间，日方曾为他升起中国国旗表示尊敬和欢迎。研发出BBO、LBO后，陈创天团队意识到，由于微观结构条件限制，二者无法通过简单倍频技术产生深紫外光谱区的谐波光输出。经过反复计算和思考，陈创天等又踏上一条长达10多年的新型非线性光学晶体探索之路，研制出全球独一无二的KBBF。KBBF是目前唯一可直接倍频产生深紫外激光的非线性光学晶体。当时国际激光界普遍认为，用固体激光器产生波长小于200纳米的激光几乎不可能，KBBF则使激光最短波长达到184.7纳米，在深紫外激光领域大展身手。KBBF独特的薄片层状生长习性，使其难以获得实际应用。为此，陈创天联合中国科学院院士蒋民华团队、中国工程院院士许祖彦团队等开展联合攻关，攻克晶体生长难关，实现多种波长的深紫外激光有效输出，保障了中国在深紫外固体激光方面的国际领先地位。2007年，KBBF被禁止对外出口。中国科学家用国际领先的自主创新成果，在高技术领域对外国说“不”。“老字号”焕发新活力2000年，洪茂椿（2003年当选中国科学院院士）任福建物构所常务副所长，主持研究所工作。当时，中国科学院基于对知识创新与技术创新前沿的把握，批准福建物构所关于福晶科技改制的申请，做大做强“中国牌”晶体产业。洪茂椿面临的第一个难题，就是让“好酒”走出“深巷”。“首先要聚人才。”洪茂椿表示，当时福建物构所建所成立已有40多年，老一辈科学家年纪大了，科学家梯队出现了断层。“当时所里引进了一批人才，积极申请系列科研项目，包括多个上亿元的大项目。”洪茂椿强调，当时申请项目并非盲目扩充研究方向，而是更聚焦科技创新价值链，把知识创新、技术创新与产业创新链接起来，以国家重大需求推动福建物构所的科学研究。2008年，福晶科技正式上市。几年里，洪茂椿经常白天忙完，晚上回所里搞科研，企业管理经验是现学现用。好在经过几年努力，人才梯队建起来了，晶体产业发展脉络理顺了。这个团队人才济济。中国科学院光电材料化学与物理重点实验室主任吴少凡带领团队致力于激光与非线性光学晶体、闪烁晶体新型功能材料研究，成果已在国家重大工程中获得应用。“90后”研究员罗敏已成长为课题组长，聚焦非线性光学晶体材料的设计、合成和生长，以学术骨干身份参与国家重大项目和中国科学院战略性先导科技专项等。走进福晶科技的晶体熔盐车间，工作人员正在一排排晶体生长监控器前观察晶体生长炉的温度。“以前晶体生长都需要工作人员在坩埚旁守着，温度很高，夏天更受不了，现在定时观察显示器即可。”福晶科技董事长陈辉说。如今的福晶科技已成为全球知名的LBO、BBO、磁光晶体等龙头厂商，产品广泛应用于激光、半导体等领域，2023年实现营业收入7.82亿元。“需求端推动供应，目前公司生产的我国原创晶体占全球此类晶体生产总量的近五成，出口超过四成。”陈辉说，“国内晶体需求占全球总需求的比例，从20世纪90年代初的不足5%到如今超过五成，说明我们积极应对了产业链转移及国内需求增长等市场变化。” 晶体提拉生长车间。福建物构所供图今天，我国的晶体研究是否依然领先？曹荣表示，我国原创晶体在研制和应用上不断取得新成果，始终领先国际。近年来，福建物构所又取得一系列引领国际的研究成果，使我国成为激光晶体强国。“当前，我们正积极将人工智能技术应用到晶体设计和生长等环节。”曹荣表示，福建物构所将进一步面向世界科技前沿及国家重大需求，抢占科技制高点，助推我国科技创新事业迈上新台阶。“纵观我国晶体研究发展史，我感受最深的就是科研没有捷径，是靠一代又一代科学家一步步走出来的。”洪茂椿表示，跟在别人后面永远不是创新。正是有了国家和中国科学院对晶体研究的持续大力支持，有了几代科学家的团结互助、勠力创新，我国晶体研究才长盛不衰。

中科院学部成立60多年来，先后选聘产生了1499名中国科学院院士。包括诺贝尔物理学奖获得者杨振宁院士，国家最高科学技术奖获得者吴孟超院士、吴良镛院士等。“科学强国”栏目将持续刊登这些院士的故事，展现他们的人生风采。　　　　人物小档案　　陈创天　　(1937年2月18日—2018年10月31日)　　出生于浙江奉化, 是我国著名的材料学家。长期从事晶体材料的研究，引领和带动了我国非线性光学晶体学科发展。曾任中国科学院福建物质结构研究所副所长，中国科学院理化技术研究所晶体中心主任，1990年当选为第三世界科学院院士，2003年当选为中国科学院院士。　　无论是KBBF、LSBO，还是BBO、LBO，这些被国际市场誉为“中国晶体”的先进材料面世，都离不开一个人，他就是“中国晶体之父”——陈创天院士。　　在他长达半个世纪的科研生涯中，人们看到的是中国非线性光学晶体的发展史。由他带领的研究团队发现、培育出来的多种非线性晶体，在国际上享誉盛名，推动了非线性光学晶体的实用化和商业化，促进了激光技术的发展，奠定了我国非线性光学晶体在国际上的领先地位。　　他就是人工晶体学界的学术泰斗陈创天。　　对于科学研究，陈创天曾直言：“要投身于科学事业，首先就要下定决心，把此生无私地奉献给科学，奉献给祖国，奉献给人民。”　　师从名师，立志科研为国　　1937年2月18日，陈创天出生在浙江省奉化市大桥镇斗门头村的一个知识分子家庭。新中国成立后，为了支援东北建设，陈创天告别就读的奉化中学，随着做会计师的父亲迁至辽宁省沈阳市，1954年，初中毕业后考入重点中学沈阳二中读高中。　　陈创天从小对数学有着特殊的爱好。进入沈阳二中后，最感兴趣的也是数学、物理两门课。陈创天记得物理老师在课上讲“以太”论时，说引力场是一种物质。通过这种物质，物体之间会产生引力。这种理论当时曾引起争论，说是引力场处于真空，不能认为是通过物质相互作用才得以实现。但这种当时颇为新奇的观点恰在陈创天的脑中挥之不去。陈创天琢磨着，两个物体之间的相互作用怎么能不通过中间介质来实现呢?正是这种好奇心，促使陈创天跟物理打上了交道。　　1956年8月，陈创天以优异成绩考入北京大学物理系物理学专业。谈起北大6年的求学经历，陈创天庆幸自己遇到了好老师。上世纪50年代，北京大学物理系集中了一大批名扬海内外的著名学者。这里浓厚的科学研究氛围成为陈创天学习的沃土，也让他更加确定自己的人生追求和科研探索信念，立志成为中国科学事业的栋梁，为中国科学技术赶上国际先进水平而努力奋斗一生。　　1962年，陈创天大学毕业。北大物理系把陈创天推荐给我国著名物理化学家、教育家卢嘉锡院士，前往中国科学院设在福建省福州市的华东物质结构研究所(中国科学院福建物质结构研究所)工作。　　当时的华东物质结构研究所是研究化学的，主要研究微观结构和宏观性能之间的关系。时任所长的卢嘉锡对陈创天说，到这里工作，就要了解化学方面的情况，掌握化学知识。于是，在卢嘉锡的指导下，陈创天又开始了长达3年化学方面的学习，自学了结构化学、量子化学、群表示理论等等，在理论化学方面打下了坚实的基础。1965年，经过慎重考虑，陈创天选择非线性光学材料结构和性能之间的关系作为研究方向，并得到卢嘉锡的支持。　　经历过战乱的颠沛流离，陈创天有着百折不挠的科研精神。这是他在科研工作中最宝贵的精神，为他日后在非线性晶体领域的发明研究奠定了坚实的基础。　　国际领先，发现培育“中国牌”晶体　　当一束单色光通过各种形状的光学玻璃时，除去光的方向会改变外，此束光的颜色是不会发生改变的，这是经典光学，即线性光学理论。但是当一束亮度很高的单色激光，通过一块空间结构没有对称中心的单晶体时，此单色激光在通过晶体后，将会产生两种不同颜色的激光，此种现象就是非线性光学现象，此种晶体就是非线性光学晶体。因此，非线性光学晶体也就是光波的变频器件。一种非线性光学晶体的变频能力，也就是一种颜色的激光转变为另外一种颜色激光的能力，是由该晶体的空间结构所决定的。我国科学家首次在国际上解决了这个问题，并发现了许多种非线性光学晶体，这些晶体具有很强的使一种颜色的激光变成另外一种颜色激光的能力。由此，我国这一领域的研究在国际上处于领先水平。其中，陈创天的身影频频出现。　　1968年，陈创天提出国际上著名的非线性光学效应的阴离子基团理论，被国内外晶体研究领域的科学家接受并成功地用于指导新型非线性光学材料的探索研究。基于他在非线性光学研究的贡献，陈创天被任命为非线性学科材料研究组的组长。　　1980年，陈创天团队宣布研制出领先世界的BBO晶体，被国际同行誉为“中国牌”的晶体。这是中国在光学领域的一项重大突破，也让中国一跃而上成为世界光学领域的领先者。　　这块小小BBO晶体为陈创天和他的科研团队带来多项国内外的科技大奖。然而荣誉背后，陈创天并没有止步于此，在发现和培育出BBO晶体后，他再次带领团队钻进实验室，研究更有价值的晶体。　　功夫不负有心人，1987年，陈创天和他的研究团队发现并生长出第二块“中国牌”非线性光学晶体LBO。与BBO相比，LBO紫外截止波长紫移到150纳米。LBO有适当的硬度和良好的机械加工性能，潮解性能良好，已经能够长出大尺寸、高质量的单晶。消息很快获得国际激光科技界和工业界的认可，新成果在激光工业界得到广泛应用。　　2001年，陈创天带领的研究团队在KBBF单晶生长技术上获得突破，并发明了KBBF晶体棱镜耦合技术，获得中、美、日专利授权，保障了中国在深紫外固体激光方面的国际垄断地位。　　2006年，中科院物理所与理化所合作，在国际上首次成功地建造了真空紫外激光角分辨光电子能谱仪，可同时测定电子的能量和动量。仪器的核心部件就是能产生177.3纳米相干光的KBBF棱镜耦合器件。由于其不可替代的关键作用，在国际市场供不应求。　　2009年2月，国际著名的科学杂志《自然》的记者经过对多国专家走访和行业调研后，发表了一篇题为《中国藏起了这种晶体》的文章，文中感叹：“一个中国实验室成为一种具有重大科学价值的晶体的惟一来源。”而这个实验室就是中科院院士陈创天领导的北京人工晶体研究与发展中心实验室，这个“具有重大科学价值的晶体”就是中国首个对国外实行技术禁运的产品KBBF非线性光学晶体。　　直到2016年，美国先进光学晶体公司才研制出KBBF晶体，打破了中国对该晶体技术的长期封锁。　　陈创天曾说：“当你为世界的科学事业，为祖国的科学事业做出别人做不出的贡献时，你才会有最大的幸福感。我一生中所遇到的最大幸福，就是看到了BBO晶体所产生的最强烈的紫外光，LBO晶体所产生的最耀眼的绿光和KBBF单晶所产生的震撼人心的深紫外相干光。这种幸福感是任何数量的金钱所买不到的。”　　2018年10月31日，82岁的陈创天因病医治无效，在北京逝世。然而他的科学精神，将永远激励着材料领域研究者们不断前行。

2021年，《高分子学报》邀请了国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写从基本原理出发的高分子现代表征方法综述并上线了虚拟专辑。仪器信息网在获《高分子学报》副主编胡文兵老师授权后，也将上线同名专题并转载专题文章，帮助广大研究生和年轻学者了解、学习并提升高分子表征技术。在此，向胡文兵老师和组织及参与撰写的各位专家学者表示感谢。更多专题内容详见：高分子表征技术专题高分子表征技术专题前言孔子曰：“工欲善其事，必先利其器”。 我们要做好高分子的科学研究工作，掌握基本的表征方法必不可少。每一位学者在自己的学术成长历程中，都或多或少地有幸获得过学术界前辈在实验表征方法方面的宝贵指导！随着科学技术的高速发展，传统的高分子实验表征方法及其应用也取得了长足的进步。目前，中国的高分子学术论文数已经位居世界领先地位，但国内关于高分子现代表征方法方面的系统知识介绍较为缺乏。为此，《高分子学报》主编张希教授委托副主编王笃金研究员和胡文兵教授，组织系列从基本原理出发的高分子现代表征方法综述，邀请国内擅长各种现代表征方法的一流高分子学者领衔撰写。每篇综述涵盖基本原理、实验技巧和典型应用三个方面，旨在给广大研究生和年轻学者提供做好高分子表征工作所必须掌握的基础知识训练。我们的邀请获得了本领域专家学者的热情反馈和大力支持，借此机会特表感谢！从2021年第3期开始，以上文章将陆续在《高分子学报》发表，并在网站上发布虚拟专辑，以方便大家浏览阅读. 期待这一系列的现代表征方法综述能成为高分子科学知识大厦的奠基石，支撑年轻高分子学者的茁壮成长！也期待未来有更多的学术界同行一起加入到这一工作中来.高分子表征技术的发展推动了我国高分子学科的持续进步，为提升我国高分子研究的国际地位作出了贡献. 借此虚拟专辑出版之际，让我们表达对高分子物理和表征学界的老一辈科学家的崇高敬意！X射线晶体结构解析技术在高分子表征研究中的应用X-ray Diffraction Methodology for Crystal Structure Analysis in Characterization of Polymer作者：扈健，王梦梵，吴婧华作者机构：青岛科技大学 教育部/山东橡塑重点实验室,青岛,266042 北京化工大学 碳纤维及复合材料教育部重点实验室,北京,100029作者简介：扈健，男，1986年生. 2013~2016年在日本丰田工业大学获得工学博士学位；2016~2019年于青岛科技大学从事博士后研究；2019年任青岛科技大学高分子科学与工程学院特聘副教授. 主要利用广角和小角X射线散射，振动光谱等技术，从事结晶高分子各级结构表征、相变行为以及结构-性能关系的研究. 扈健，男，1986年生. 2013~2016年在日本丰田工业大学获得工学博士学位；2016~2019年于青岛科技大学从事博士后研究；2019年任青岛科技大学高分子科学与工程学院特聘副教授. 主要利用广角和小角X射线散射，振动光谱等技术，从事结晶高分子各级结构表征、相变行为以及结构-性能关系的研究.摘要高分子材料结构具有多尺度的复杂性，解析高分子材料各级微观结构并建立结构与性能之间的关系是高分子研究领域的重要目标和挑战. 对结晶性高分子而言，第一步工作就是对其晶体结构进行表征和解析，X射线衍射法是高分子晶体结构解析中最经典也是最常用的方法. 本文主要介绍X射线衍射等技术在高分子晶体解析中的基本原理和测试表征方法，总结概述近些年来晶体结构解析在高分子领域内的主要进展以及应用. 通过晶体结构解析的方法建立可靠的高分子晶体结构，不仅可以应用于新合成结晶高分子结构的解析，也可以进一步研究高分子各级结构在外场作用下的演变，探明微观结构与宏观性能之间的关系.AbstractBecause of complicated multi-scale structure for the polymer material, studying microscopic structure of polymer and clarifying the relationship between structure and physical property are the major goal and challengein the polymer science. For the crystalline polymer, crystal structure should be analyzed and established at first. X-ray diffraction is the most classical and conventional method for the crystal structure analysis in polymers, which gives the detailed information of molecular chain conformation, chain aggregation in the crystal lattice. This article reviews the main principles and experimental techniques of X-ray diffraction methodology, and also summarizes the progress and application in the polymer field over the past decade. By utilizing X-ray diffraction method, the crystal structure of newly synthesized crystalline polymers can be analyzed, which may help us recognize crystal phase transition and hierarchical structure evolution by the external force, and also study towards the microscopic clarification of structure-property relationship. By combining other techniques such as neutron scattering, electron diffraction, nuclear magnetic resonance, vibrational spectroscopy and computer simulation, the crystal structure of polymers with higher reliability can be established, leading us to the highly quantitative discussion from the molecular level. For this purpose, the study of polymer crystal structure is still on the way, and the contents may be helpful for the beginners and researchers.关键词结晶性高分子  晶体结构  X射线衍射  结构与性能KeywordsCrystalline polymer  Crystal structure  X-ray diffraction method  Structure and property 目前已知的高分子中，大约70%的都是结晶性高分子，它们在日常生活和高端领域有着大量的应用. 结晶性高分子受分子链结构不规整、链缠结和链间相互作用等效应的影响，很难像小分子一样完全结晶，通常也被称作半结晶性高分子[1-3]. 高分子结构具有多尺度复杂性，其各级结构通常包括聚合物链结构、晶体(胞)结构、晶胞堆砌结构、晶区与非晶区堆砌结构以及球晶中片晶结构等，各级结构都有可能影响着高分子相态及形貌，进而影响高分子材料的性能. 而其中，晶体结构的确定是研究结晶性高分子的基础，所以建立高质量的结晶性高分子的晶体结构是非常必要的[4,5].近几十年来，随着各类表征技术和计算机模拟等领域的快速发展，大量的高分子晶体结构被建立或者修正. 确定结晶性高分子在单元晶胞基础上的晶体结构信息，最传统和经典的方法是广角X射线衍射法，并且结合红外光谱、拉曼光谱、核磁共振谱、中子散射以及高分辨电子衍射等技术能够得到更为准确的晶体结构. 这些技术的进步和运用不仅有助于分析聚合物的晶体结构，而且也提供了新方法去研究更为复杂的高分子材料. 基于晶体结构的建立，我们可以研究高分子的各级结构以及在外场作用下各种相态之间的演变规律，对阐明聚合物材料微观结构与物理性能之间的关系都具有重要意义[6,7].1高分子X射线晶体结构解析法X射线是一种波长为埃(1 Å = 10-10 m)级的电磁波，由于其波长的数量级与晶体点阵中原子间距一致，晶体点阵可以成为X射线发生衍射效应的光栅，而衍射图会随晶体点阵的变化而变化，因此X射线适用于晶体结构解析. 从20世纪30年代开始，X射线衍射法对聚合物科学领域的发展就起到了重要的作用，例如通过X射线衍射方法确定了各类合成或天然高分子的纤维周期均为几个Å到几十个Å，这也证明了一根聚合物分子链可以贯穿多个晶胞. 随着近几十年同步辐射技术的应用，拓宽了X射线的波长范围，更短的波长可以使我们获得更多倒易空间的坐标信息，灵敏度更高的探测器可以帮助我们更细致观测相变的动力学以及其他行为. 另外，通过分子模拟软件进行数据分析，建立模型以及能量最小化等已经普遍用于X射线衍射法解析或精修晶体结构. 1.1X射线衍射法基本原理解析晶体结构的衍射原理和方法学主要是20世纪初期建立的，包括布拉格定律、晶体学对称、群论以及从实空间到倒易空间的傅里叶变换等等. 很多书籍对这些方法都有着详尽的描述，这里对几个重要的概念和原理进行简要的概述[8~11].1.1.1Bragg和Polanyi公式Bragg公式：如图1所示，当一束单色X射线非垂直入射晶体后，从晶体中的原子散射出的X射线在一定条件下彼此会发生干涉, 满足下列方程：其中λ为入射光波长，d为晶面间距，θ为入射光与晶面的夹角.Fig. 1Bragg' s condition.Polanyi公式: 如图2(a)所示，当一束波长为λ的X射线垂直入射在一维线性点阵时(例如单轴取向的纤维样品)，其等同周期为I, 当满足Polanyi方程公式时，散射出的X射线间会产生强烈的衍射：其中Φm为第m层衍射的仰角. 结晶高分子中分子链排列时以相同结构单元重复出现的周期长度被称为等同周期(identity period)或者纤维周期(fiber period)，图2(b)为全同聚丁烯-1的(3/1)螺旋构象，可以利用Polanyi公式从二维X射线纤维图中计算等同周期.Fig. 2(a) Polanyi' s condition (b) Identity period ofit-PB-1.1.1.2倒易空间倒易点阵是根据晶体结构的周期性抽象出来的三维空间坐标，是一种简单实用的数学工具来描述晶体衍射，X射线衍射的图样实际上是晶体倒易点阵的对应而不是正点阵的直接映像. 正点阵与倒易点阵是互易的，倒易晶格中越大的晶面指数(hkl)，在实晶格中就对应越小的晶面间距. 如图3(a)所示，假设晶体点阵中的单位矢量为a1，a2和a3，和它对应的倒易点阵的单位矢量为a1*，a2*和a3*，其关系如下式：其中晶胞体积V=a1 × ( a2 × a3)，a1*垂直于a2和a3，a2*垂直于a1和a3，a3*垂直于a1和a2，其长度是相应晶面间距的倒数的向量.Fig. 3(a) Relationship between real space and reciprocal space (b) Reciprocal lattice and vector.倒易晶格中的任一点称作倒易点，倒易点阵的阵点与晶体学平面的矢量相关，每一组晶面(hkl)都对应一个倒易点. 从倒易空间原点指向倒易点的矢量被称为倒易矢量Hhkl，如图3(b)所示，其关系如下：其中指标(h,k,l)就是实空间中的晶面指数，h,k,l均为整数. 倒易矢量Hhkl垂直于正点阵中的（hkl）晶面，并且矢量的长度等于其对应晶面间距的倒数|Hhkl|=1/dhkl.1.1.3Ewald球Bragg方程指出，当散射矢量等于某倒易点阵矢量时就具备发生衍射的基础，如果把Bragg方程进行变形可得到公式(5)：以1/λ为半径画一个球面，C点为圆心，CP为散射X射线，球面与O点相切，只要倒易点阵与球面相交就可以满足Bragg方程而发生衍射现象，这个反射球就被称为Ewald球，如图4所示.Fig. 4Relationship between Ewald sphere of radius 1/λ and reciprocal lattice. 根据图中的几何关系OP = 1/d，假设O点为倒易空间原点，OP即为倒易散射矢量，P点与倒易空间点阵的交点即为(hkl)晶面指数. 转动晶体的同时倒易点阵亦发生转动，从而会使不同的倒易点与Ewald球的表面相交. Ewald球直径的大小与X射线波长成反比，衍射点数量取决于Ewald球与倒易空间的交点的数目，实验可探测衍射的最小d值取决于Ewald球的直径2/λ，在实际测试中，可以减小入射光波长以增加可观测的衍射点数量.如图5所示，对于单轴取向的样品，拉伸方向平行于c轴方向，而a轴和b轴仍然是随机取向，所以倒易空间的(hkl)点呈同心圆分布,这一系列同心圆与Ewald反射球的交点就构成了一系列的hk0，hk1,hk2… hkl的倒易格子的平面. 通常定义(hk0)层为赤道线方向，沿拉伸方向的(00l)为子午线方向.Fig. 5The relationship among Ewald sphere, circular distribution of reciprocal lattice points and a diffraction pattern on a flat photographic film.1.1.4X射线衍射强度X射线的衍射强度Intensity公式如下：其中K是比例因子，m是多重性因子，p为极化因子，L是Lorentz因子，A是吸光因子，F为结构因子. 其中需要强调的是结构因子F，它是由晶体结构决定的，和晶胞中原子的种类和位置相关.如图6所示，一束平行X射线经过电子A和B分别发生散射，假设A到B的距离为r，S0和S分别为入射和散射单位矢量，其光程差为：其中b即为散射矢量，与图4中OP矢量一致.Fig. 6Sketch of classic scattering experiment.一个原子中的核外电子云呈球形分布，对环绕中心的所有可能实空间矢量的干涉进行积分可以得到一个原子周围的电子产生的相干散射：这个公式就是ρ(r)的傅里叶变换，其中ρ(r)是原子的散射因子.晶体中原子的周期排列决定了晶体中的一切都是周期的，相当于一种周期函数，这种周期函数的实质就是晶胞中的电子密度分布函数，倒易晶格就是实晶格的傅里叶变换. 晶格对X射线的散射为晶格中每个原子散射的加和，每个原子的散射强度是其位置的函数，加和前必须考虑每个原子相对于原点的位相差.r为实空间中的原子位置矢量，设r = xna1 + yna2 + zna3，b为倒易空间的倒易矢量，b = Hhkl = ha1* + ka2* + la3*，根据倒易空间的性质可以得出公式：通过此公式可以看出结构因子和原子坐标位置相关，这也就决定了系统消光现象，也就是说在不同晶系中不是所有衍射点都会出现，可以通过计算结构因子来判断.另外由于衍射强度正比于|Funit cell|2，在晶体计算过程中，衍射峰的绝对强度意义不大，但是衍射峰的相对强度对最后晶体结构的确定影响很大.1.1.5分子链排列方式和空间群一根分子链一般包含内旋转相互作用、非键接原子间相互作用、静电作用、键长伸缩和键角变形作用以及氢键作用等. 在晶格中分子链排列大多遵循2个原则：最稳定的空间螺旋构象以及最密堆砌.晶体学中的空间群是三维周期性的晶体变换成它自身的对称操作(平移，点操作以及这两者的组合)的集合，一共有230种空间群. 空间群是点阵、平移群(滑移面和螺旋轴)和点群的组合. 230个空间群是由14个Bravais点阵与32个晶体点群系统组合而成[12].我们挑选比较简单的空间群操作进行比较直观的说明，如图7所示，若一个右旋向上的分子链(图7(a)中Ru)，通过以箭头方向为旋转轴做180°转动，可以得到右旋向下的分子链(图7(a)中Rd)，如果空间中只有这一种对称操作，那么这种空间为P2；又若Ru分子链通过镜面对称操作可以得到左旋向上的分子链(图7(b)中Lu)，如果空间中只有这一种对称操作，那么这种空间为Pm；若空间群中同时包含以上2种对称操作，且镜面法线方向与对称轴垂直，也就是说在此晶胞内就同时存在右旋向上Ru，右旋向下Rd，左旋向上Lu，左旋向下Ld 4种分子链构象，那么这种空间群为 P2/m，如图7(c)所示.Fig. 7Introduction of different operation in the space group.1.2其他方法简介1.2.1振动光谱法振动光谱法通常包括红外及拉曼光谱，其可以提供分子链构象，晶体对称性等信息[8]. 虽然通过X射线衍射法进行晶体结构解析时可以得到晶区高分子链的构象信息，但无法获知分子间作用力的信息，而有时分子间作用力在晶体结构的形成起到很重要的作用.1.2.2中子衍射法X射线衍射是X射线与电子相互作用，它在不同原子上的散射强度与原子序数成正比，对高分子而言通常都给出主链的信息，而中子衍射法是中子与原子核相互作用，其衍射强度随原子序数的增加不会有序的增大，主要与原子的种类有关，因此中子衍射法可以确定晶体结构中轻元素的位置. 很多力学性能的各向异性通常受侧链的氢原子影响很大，结合X射线衍射和中子衍射法能得到更为准确的晶体结构[13,14].1.2.3电子衍射法电子衍射法可以给出聚合物单晶的形貌信息并且可以得到相应电子衍射图进行结构分析[15]. 但是通常电子衍射法得到衍射点数量较少，而且容易产生次级衍射，样品容易被电子束破坏.1.2.4固体核磁共振谱法固体NMR适用于解析固态高聚物的本体结构、链构象、结晶、相容性以及分子动力学等[16,17]. 谱峰的化学位移(chemical shift)是固体核磁波谱的主要信息，它依赖于分子的局部电子云环境. 电子云结构对分子构象的变化非常灵敏，是研究多晶型的重要依据. 但固体核磁法很难给出晶体的直接结构，常作为X射线衍射法的补充.2X射线衍射测试方法及技巧对于聚合物而言很难培养出0.1 mm以上的单晶，所以测试大多数采用的都是多晶样品. 相较于小分子和低分子量的化合物而言，高分子结晶区的尺寸通常只有几百个Å，晶格内分子链排列不完善，衍射点的数量较少并且衍射点尺寸较宽，大角度范围衍射点强度衰减非常严重，要得到高质量的数据和非常可信的结构解析结果是比较困难的，从样品制备到测试以及后续分析的每一个环节都需要仔细的处理.图8为X射线衍射法解析高分子晶体结构的具体步骤.

近日，山东大学陶绪堂教授团队使用导模法(EFG)成功制备了外形完整的4英寸(001)主面氧化镓(β-Ga2O3)单晶，并对其性能进行了分析。劳厄测试衍射斑点清晰、对称，说明晶体具有良好的单晶性，无孪晶；X射线衍射摇摆曲线显示晶体(400)面半峰全宽仅为57.57″，结晶质量较高；湿法化学腐蚀测试结果表明，晶体位错密度为1.06×104 cm-2；C-V测试确认β-Ga2O3晶体中载流子浓度为7.77×1016 cm-3。测试结果表明，该团队通过导模法获得了高质量的4英寸β-Ga2O3单晶。相关内容以“4英寸氧化镓单晶生长与性能研究”为题已在《人工晶体学报》网络首发（DOI：10.16553/j.cnki.issn1000-985x.20220831.001.）。该成果是继2019年团队获得4英寸(100)主面单晶后的又一新突破。 图1 4英寸β-Ga2O3晶体 图2 β-Ga2O3单晶(010)面劳厄衍射图图3 β-Ga2O3单晶摇摆曲线 　　此外，团队通过优化提拉法晶体生长工艺，在原有1英寸晶体基础上，成功放大到2英寸，晶体外形规整、无裂纹，晶体质量较高。晶体生长尺寸与德国IKZ及美国空军实验室相当，达到国际先进水平。 图4 提拉法生长2英寸氧化镓柱状单晶 　　山东大学晶体材料国家重点实验室在国内最早开展导模法氧化镓单晶生长，经过长期潜心攻关，从零开始，先后突破了1~4英寸氧化镓单晶生长、缺陷、掺杂、加工等关键核心技术。通过导模法、提拉法等多种晶体生长方法，生长出n型导电及半绝缘氧化镓晶体并开展了系统的晶体加工和缺陷研究，为打破国外技术封锁和产品禁运奠定了基础。 　　β-Ga2O3作为超宽禁带半导体材料，可用于制备功率器件、紫外探测器、高能射线探测器，同时也可作为GaN、ZnO等半导体的衬底材料使用。由于超高的击穿场强和巴利加优值，β-Ga2O3功率器件具有耐压高、导通损耗低、开关速度快的优点。目前，β-Ga2O3二极管及场效应晶体管器件耐压均可达几千伏，器件击穿场强已超过SiC和GaN的理论极限。 　　由于β-Ga2O3禁带宽度为4.8 eV，吸收截止边位于260 nm处，紫外透过率可达80%以上，并且具有良好的化学稳定性和热稳定性。因此，β-Ga2O3晶体自身便满足“日盲”光电器件的需求，避免了目前常用氮化物需要合金化等复杂问题。β-Ga2O3晶体因其卓越的材料性能，在深紫外光电探测以及超高压功率器件方面具有重要的应用，也是最近美国等西方国家对我国实施禁运的关键材料。

12月19-21日，北京睿远科技发展有限公司在广州参加了中国晶体学会主办，中山大学承办的第六届晶体药物研发学术研讨会，与会代表600多人，其中北京睿远科技发展有限公司邀请厂家加拿大C-Therm公司技术经理陈鏖先生一起参会，并展出了用于药物仿制药一致性评价的自动化仪器ESP系统。

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如果继续发展下去，并且所有技术问题都得到解决，冷冻电镜确实会成为一种占据统治地位的技术，而不仅仅是第一选择。　　在英国剑桥市一座钢结构建筑深处的地下室里，一场大规模的“叛乱”正在上演。　　一个约3米高的庞大金属箱正通过消失在屋顶上的橙色粗电缆，静悄悄地发射兆兆字节的数据。这是全球最先进的冷冻电子显微镜之一：一台利用电子束为冷冻的生物分子成像并揭秘其分子形状的设备。英国医学研究委员会分子生物学实验室(LMB)结构生物学家Sjors Scheres像个矮子一样站在这台价值500万英镑(合770万美元)的设备旁边介绍说，这台显微镜非常敏感，以至于一个叫喊声就能毁掉试验。　　在全球实验室中，类似这样的冷冻电镜正影响着结构生物学领域。过去3年里，它们揭示了制造蛋白的核糖体细节，而这些发现正在以飞快的速度发表于顶级期刊。结构生物学家们毫不夸张地认为，他们的领域正处于一场革命当中：冷冻电镜能快速创建那些抗拒X射线结晶学和其他方法的分子的高分辨率模型。与此同时，利用此前技术获得诺贝尔奖的实验室正争先恐后地学习这种“新贵”方法。　　挑战“王者”　　当1973年生物学家Richard Henderson到LMB研究一种被称为菌视紫红质的蛋白时，利用光能量推动质子穿过细胞膜的X射线结晶学是毫无疑问的“王者”。Henderson和他的同事Nigel Unwin利用这种蛋白制成二维晶体，但它们并不适合X射线衍射。因此，两人决定尝试电子显微镜。　　当时，电子显微镜用于研究被重金属染色剂处理过的病毒或组织切片。一束电子被射向样品，其中挣脱开来的电子被探测到并用于描绘它们所撞入的材料结构。这种方法产生了烟草病菌的首幅清晰图像，但染色剂使观察单个蛋白变得困难，更不用说X射线所能揭示的原子水平上的细节。　　在一个关键步骤中，当Henderson和 Unwin利用电子显微镜对菌视紫红质的晶片进行成像时，他们省略了染色剂，相反把晶体放在金属网格上，以便使蛋白凸显出来。“你能看到蛋白中的原子。”和Unwin在1975年发表了菌视紫红质结构的Henderson介绍说。“这是一个巨大的进步。”美国加州大学旧金山分校细胞生物学家David Agard表示，“这就是说，利用电子显微镜研究蛋白结构将成为可能。”　　冷冻电镜领域在上世纪八九十年代得到发展。一个关键进步是将液态乙烷用于瞬间冻结溶液中的蛋白并使其保持静止。不过，通常情况下，这种技术仍然只能将蛋白结构解析到10埃(1埃相当于1纳米的十分之一)的分辨率——与X射线晶体学超过4埃的模型相比并没有竞争力，并且远远无法满足将这些结构用于药物设计的要求。当诸如美国国立卫生研究院等资助者把上亿美元投资到野心勃勃的晶体学项目时，对冷冻电镜的资助远远落后于此。　　1997年，当Henderson参加关于3D电子显微镜的年度高登研究会议时，一位同事在开幕式上发表了颇有挑衅意味的声明：冷冻电镜是一种“小生境”方法，不可能取代X射线晶体学。不过，Henderson能看到一个不同的未来，并且在随后的演讲中进行了反驳。“当时我说，我们应当让冷冻电镜在全球统治所有结构学方法。”他回忆道。　　革命从此开始　　此后第二年，Henderson、Agard和其他冷冻电镜的狂热支持者有条不紊地实现了各种技术改善，尤其是找到了感知电子的更好方法。在数码相机风靡世界很久之后，很多电子显微镜专家仍然偏好过时的胶片，因为它能比数字传感器更高效地记录电子。不过，和显微镜生产厂商一道，研究人员开发出远超胶片和数码相机探测器的新一代直接电子探测器。　　这些从2012年左右获得应用的探测器，能以每秒几十帧的速率捕捉单一分子的速射图像。与此同时，诸如Scheres等研究人员编写了复杂的软件程序，将上千幅2D图像转变成在很多情况下可与晶体学解析的分子图像质量相媲美的3D模型。　　冷冻电镜适合能忍受电子轰击而不会四处晃动的稳定、大型分子，因此通常由几十个蛋白制成的分子机器是很好的目标。而研究证明，没有什么比由RNA相互缠绕支撑的核糖体更加合适了。通过X射线晶体学解析核糖体结构的方法，让3位化学家获得了2009年诺贝尔化学奖。过去几年里，不同的研究团队迅速发表了来自众多生物体的核糖体冷冻电镜结构，包括首个人类核糖体高分辨率模型。在由分享了2009年诺贝尔奖的Venki Ramakrishnan领导的LMB实验室，X射线晶体学在很大程度上变得无人问津。他认为，对于大型分子来说，“冷冻电镜将大幅取代晶体学技术的预测是可靠的”。　　今年5月，加拿大多伦多大学结构生物学家John Rubinstein和他的同事利用约10万幅冷冻电镜图像，创建了一种名为V-ATPase、形状类似转子的酶的“分子影片”。V-ATPase通过燃烧三磷酸腺苷(ATP)推动质子进出细胞液泡。“我们看到的是一切事情都在灵活进行。”Rubinstein说，“它在弯曲、扭动和变形。”在他看来，这种酶的灵活性能帮助其高效传递ATP释放的能量。　　统治结构生物学领域　　像任何新兴领域一样，冷冻电镜领域也有着成长的烦恼。一些专家担心，竞相利用此项技术的研究人员会产生有问题的结果。2013年发表的一种艾滋病病毒表面蛋白的结构，便受到科学家的质疑。他们认为，用于构建模型的图像是白噪声。从那以后，虽然其他团队产生的X射线和冷冻电镜模型对原始模型提出了挑战，但这些研究人员一直坚守他们的成果。　　今年6月，在高登会议上，想要更多质量控制的研究人员通过一项决议，督促各期刊为审稿人提供关于冷冻电镜结构如何被创建的细节资料。　　成本也会减缓此项技术的扩散。据Scheres估算，LMB每天花费约3000英镑运行其冷冻电镜设备，还要加上1000英镑的电费。大部分电费是由储存和处理图像所需的计算机产生的。“对于很多实验室来说，这是一项很高的开支。”　　为了让冷冻电镜的使用更加便利，一些资助者建立了研究人员能预定时间的共享设备。霍华德休斯医学研究所(HHMI)在其弗吉尼亚州珍利亚农场校区运营着一个对HHMI资助的研究人员开放的冷冻电镜实验室。在英国，由政府和惠康基金会资助的一台全国性冷冻电镜设备，今年在牛津附近的迪德科特开始运行。“人们想要了解冷冻电镜，已成为当下的一股浪潮。”帮助建立上述设备的伦敦大学伯克贝克学院结构生物学家Helen Saibil表示。　　追赶这一浪潮的还有纽约洛克菲勒大学生物物理学家Rod MacKinnon。他因确定了特定离子通道的晶体结构而共同分享了2003年诺贝尔化学奖，但如今却在深入研究冷冻电镜。“我正处在学习曲线的陡坡上，而这总是令我兴奋不已。”MacKinnon希望利用冷冻电镜研究离子通道是如何打开和关闭的。　　当Henderson在1997年反驳说冷冻电镜将统治结构生物学世界时，他或许是在口是心非。但将近20年以后，他的预言已不像当时看上去的那么夸张。“如果继续发展下去，并且所有技术问题都得到解决，冷冻电镜确实会成为一种占据统治地位的技术，而不仅仅是第一选择。”Henderson说，“我们或许已经成功了一半。”

1月18日，中共中央、国务院在北京隆重召开2012年度国家科学技术奖励大会。胡锦涛、习近平等党和国家领导人出席奖励大会并为获奖人员颁奖。山东大学晶体材料研究所王继扬教授完成的“硼酸盐激光自倍频晶体和小功率绿光激光器件商品化制备技术及应用”项目荣获国家技术发明二等奖。此外，山东大学作为合作单位获得一项国家科技进步二等奖。 　　王继扬教授及其课题组在国家自然科学基金和“973”专项支持下，在蒋民华院士学术思想指导下，坚持复合功能晶体研究，与中科院理化所许祖彦院士课题组合作，突破传统思想，发现硼酸钙氧盐类晶体的最大有效非线性系数在非主平面方向。他通过对多种硼酸钙氧盐晶体生长和激光特性的筛选研究，发现硼酸钙氧钇钕晶体综合性能优良，具有实用化前景，通过产学研结合实现了激光自倍频晶体元件和激光自倍频绿光器件模组的商品化生产，根据市场需求开发了多种产品，并已获得广泛应用，在国际上首次实现了激光自倍频晶体及其器件的商品化，开辟了激光自倍频晶体与器件应用的商品化领域，创造了具有特色和优势的小功率绿光全固态激光器新品种，发展了激光自倍频功能复合模型，丰富了功能晶体学科，是复合功能晶体研究领域的重大突破。

仪器信息网讯 2015年5月29日-6月2日，&ldquo 2015全国生物医学农林电镜技术研讨会暨生物电镜前沿技术培训班&rdquo 在浙江大学举行。本次会议特别邀请了国内外知名专家教授和电镜工作者讲授生物电子显微镜技术的最新发展，交流生物样品制备和应用方面的技术经验，并安排部分学员参加实验操作及演示。 　　纽约州立大学奥尔巴尼分校隋海心教授在研讨会上做了题为&ldquo Cellular electron microscopy：back to the future&rdquo 的报告。 隋海心教授 　　隋海心在报告中提到，自上个世纪30年代电子显微镜发明以来，随着其技术的不断发展进步，人们对于细胞结构有了更多的认识，从而产生了细胞生物学这一新的分支学科。尤其是到了70-80年代，几乎所有的细胞生物学文章，没有电镜照片都发不了文章。然而到了90年代，随着荧光显微技术的发展，以及X射线晶体学技术在蛋白质研究当中的突出作用，电镜在这一领域的应用逐渐没落，可以说在这两种技术的夹缝当中求生存。 　　不过近年来，尤其是去年随着电子显微镜在蛋白质结构解析当中达到近原子分辨率水平，研究人员又重新对这一技术表现出了非常的热情。譬如，去年7月，在国家蛋白质科学中心&bull 上海(筹)举行的第七届郭可信暑期学校暨冷冻电镜三维分子成像国际研讨会，参会人员近300人，远远超过了原计划的150人的预期，会议还吸引了X射线晶体学界的结构生物学家们前来参加。 　　隋海心在报告中表示，&ldquo 其实目前电镜在蛋白质结构解析方面的应用和X射线晶体学技术是有所重合的，它使得蛋白质结构的解析更加简单，让这部分工作更完整，在未来5-10年会是一个重要的研究方向。但是电子显微技术更重要的应用应该是研究大空间尺度的亚细胞结构信息，也就是原位分析，细胞电子显微学将是生物电镜发展的重要方向之一。&rdquo 　　&ldquo 目前细胞电子显微学发展也面临着许多挑战，它无法像荧光显微镜那样对蛋白质进行定位研究，样品制备十分困难等。因此，如何利用电镜对蛋白质进行标记研究，如何将荧光的动态信息与蛋白质结构信息结合 如何更好的利用光学显微镜与传统电镜及冷冻电镜联用技术 寻找合适的样品制备技术 利用FIB-SEM获取大尺度的三维结构信息等是我们目前研究的问题。&rdquo 说到这里，隋海心教授对于生物电子显微学的未来发展表示了极大的信心。 　　撰稿：秦丽娟 　　相关新闻： 　　生物电镜发展：技术人才培养成关键点

据美国物理学家组织网12月21日(北京时间)报道，德国科学家研制出一种新式的通用晶体管，其既可当p型晶体管又可当n型晶体管使用，最新晶体管有望让电子设备更紧凑 科学家们也可用其设计出新式电路。相关研究发表在最新一期的《纳米快报》杂志上。 　　目前，大部分电子设备都包含两类不同的场效应晶体管：使用电子作为载荷子的n型和使用空穴作为载荷子的p型。这两种晶体管一般不会相互转化。而德累斯顿工业大学和德奇梦达公司携手研制的新式晶体管可通过电信号对其编程，让其自我重新装配，游走于n型晶体管和p型晶体管之间。 　　新晶体管由单条金属—半导体—金属结构组成的纳米线嵌于一个二氧化硅外壳中构成。从纳米线一端流出的电子或空穴通过两个门到达纳米线的另一端。这两个门采用不同方式控制电子或空穴的流动：一个门通过选择使用电子或空穴来控制晶体管的类型 另一个门则通过调谐纳米线的导电性来控制电子或空穴。 　　传统晶体管通过在制造过程中掺杂不同元素来确定其是p型还是n型，而新式晶体管不需要在制造过程中掺杂任何元素，通过在一个门上施加外部电压即可重新配置晶体管的类型。施加的电压会使门附近的肖特基结阻止电子或空穴流过设备，如果电子被阻止，空穴能流动，那么，晶体管就是p型，反之则是n型。 　　研究人员解释道，使这种再配置能起作用的关键是调谐分别通过肖特基结(每个门一个)的电子流动情况，模拟显示，纳米线的几何形状在这方面起关键作用。 　　尽管该研究还处于初期阶段，但新式晶体管展示出了极佳的电学特性。比如，与传统纳米线场效应晶体管相比，其开/闭比更高，且漏电更少。该研究的领导者沃尔特韦伯表示：“除采用人造纳米线外，采用目前先进的硅半导体制造技术也可以制造出这种晶体管，还可以用到自对准技术，大大提高工作频率和速度。” 　　接下来，科学家们计划通过改变材料的组成来改进新式晶体管的性能，并制造出由其运行的电路。他们表示，最大的挑战是，在将其与其他晶体管结合在一起时，如何将额外的门信号整合进来。

安捷伦科技推出用于结构生物学应用的新一代 X 射线衍射仪 2012 年 7 月 30日，北京&mdash 安捷伦科技公司（纽约证交所： A）在波士顿召开的美国晶体学协会年会上发布了 GV1000 X 射线单晶衍射仪。 这一革命性的新一代仪器将用于收集生物大分子晶体样品的高质量衍射数据。 GV1000 配备了体积紧凑且高亮度的 X 射线源，采用创新的梯度真空技术，使得该款仪器不仅稳定可靠，而且使用简单。 GV1000 结合了安捷伦高精度四圆测角仪以及高性能 CCD 检测器，是满足现代大分子晶体学实验室极具挑战性需求的理想解决方案。 大分子晶体学是研究蛋白质和核酸分子（这两种物质是生物体的重要成分）原子级别结构的学科。 在制药行业的新药研发中，这门学科也扮演着重要的角色。 安捷伦 X 射线衍射产品线总经理 Leigh Rees 博士说：&ldquo 有了 GV1000，我们可以将产品系列扩展到高端的蛋白质晶体学中。 相比于竞争产品－旋转阳极系统，梯度真空系统GV1000具有许多显著优势，终将成为应用于蛋白质晶体学和其它晶体学研究的尖端实验室系统。&rdquo GV1000 是安捷伦正在扩展的 X 射线晶体学产品系列中性能最高的单波长系统。 GV1000的研发得益于安捷伦为所有X 射线单晶衍射应用提供创新性解决方案的专业技术。 安捷伦所有用于 X 射线晶体测量仪器的主要部件的设计和制造都有 20 年以上的历史。 要了解更多信息，请访问 www.agilent.com/lifesciences/GV1000 。 关于安捷伦科技 安捷伦科技公司（纽约证交所： A）是全球领先的测量公司，同时也是化学分析、生命科学、电子和通信领域的技术领导者。 公司的 20,000 名员工为 100 多个国家的客户提供服务。 在 2011 财政年度，安捷伦的业务净收入为66 亿美元。要了解安捷伦科技的信息，请访问：www.agilent.com.cn 。

在近代生物学发展史上，有一个问题逐渐占据了科学家的视野：蛋白质、核酸、多糖… … 这些构成生命活动基础的大分子的微观结构是什么样的？解决这个问题满足的不仅仅是科学家们的好奇心，更重要的是对结构的认知将极大地帮助人类在分子层面理解复杂的生命活动，并据此设计出阻止或加强其作用的药物，特别是基于蛋白质结构的药物研发。我们现在知道目前解析生物大分子结构的主流实验手段是X射线晶体学和冷冻电镜，而AI又与这两种手段相辅相成。但在生物学发展早期，我们只能推测大分子的成分，窥见它们精巧而严密的运作机制，但对它们的结构细节一无所知，而结构的未知又影响了人类理解它们的功能。诺贝尔奖获得者费曼曾经半开玩笑地说：“许多基础的生物问题是非常容易解决的：只要能看到它们就行！"然而观测这些微小的分子以及它们那更加微小和复杂的空间结构谈何容易，实际上，这个问题直到今天也不能称得上完全解决。但几十年来，科学家们为此付出了巨大的努力并取得了可观的成果，并最终形成了结构生物学。这是一个漫长而艰难的故事，但也不乏有趣之处。01X射线晶体学的得与失1895年，威廉伦琴发现了X射线。这种具有穿透性的电磁波是19世纪最重要的物理学发现之一，对许多领域和学科都产生了深远的影响，不过这不是本文要讨论的重点，我们直接来看X射线是如何影响甚至可以说奠定了近代结构生物学的发展的。简单来说，人们发现极细的X射线流在穿过化合物晶体后，会在照相板呈现出一些具有规律的衍射图案，这些衍射图案是否有可能反映出了晶体的原子排列规律呢？经过几十年的探索，科学家们终于找到了通过数学规则，利用X射线衍射图案来推算晶体中原子排列的方法。这一技术，使得制备晶体→X射线衍射→推算结构的解析大分子结构的方式成为可能，X射线晶体学的时代开启了。X射线解析蛋白质结构的首例突破是在1960年。约翰与他的同事马克斯佩鲁兹””解析了第一个蛋白质——抹香鲸肌红蛋白的三维结构。与今天科学家们能解析的蛋白结构相比，肌红蛋白的结构较为简单，仅由8条α螺旋组成，且没有4级结构。但在当时，所有人都知道，一个新的时代开启了。蛋白质的折叠方式与空间构象对于蛋白质的功能有着决定性的作用。掌握了蛋白的三维结构，就掌握了开启和关闭蛋白功能的钥匙。在接下来的几十年里，一个又一个重要的蛋白质结构被解析出来，核糖体、肌动蛋白、ATP酶、氧化还原酶、RNA聚合酶… … 结构生物学的黄金时期一直持续到本世纪，以至于2006年诺贝尔化学奖获得者罗杰科恩伯格后来说“2007年至2019年，当我为Nature杂志工作时，我们经常对结构生物学论文的数量开玩笑：似乎每周都有一个新的、重要的蛋白质结构发表。”X射线晶体学并非完美，它的缺陷在这个过程中暴露出来。首先，想要获得一个相对完整的模型，就要获得分辨率足够高的能够得到清晰的X射线“照片”的蛋白晶体，另外，一次X射线穿透获得的是晶体某一角度的衍射图案，这对于计算蛋白质三维结构是远远不够的，需要多角度的几百张甚至成千上万张照片才能构建出一个蛋白质三维结构的雏形，并通过建模和修正得到最终的成品“模型”。这期间的工作量特别是数学部分无疑是巨大的，即使有计算机和更好的X射线设备的辅助计算，X射线晶体学仍然很耗时。还有一个问题是，一些类型的蛋白质被证明很难或不可能结晶，如何进行对于此类蛋白三维结构的探索呢？02冷冻电镜与传统的常温电镜不同，冷冻电镜通过将样品冷冻在一层非晶体的玻璃态冰膜中然后在低温下用电镜成像观察，从而得到结构。这个方法无疑不再对蛋白晶体有硬性要求，可以最大可能的观察到生物大分子的自然状态下。并且，由于样品制备时使用了瞬时冷冻的技术，与X射线晶体衍射学相比，冷冻电镜技术可以瞬时的捕捉到同个样品在不同状态下的近生理构象。不过，虽然这项技术发明得很早，但起初只能对于病毒等较大或具有高度对称性的结构进行解析。因为电镜用于轰击样品的电子具有高能量，无论是生物样品本身还是仪器都难以承受长时间的轰击，而有限次数的曝光得到的图像偏差过大，难以用于精细的结构生物学领域。为了降低电子对样品的损伤，冷冻电镜在低温下，采用了低剂量的图像采集方案，增强图像的信噪比。而近年来，直接电子检测相机的研发和飞速发展的图像处理算法的应用，使得冷冻电镜的分辨率得到了飞跃式的提升，这次分辨率的极大提升，被称为“第一次分辨率革命”。另一方面，随着电镜本身的技术发展，目前已经可以利用冷冻电镜技术观察到原子分辨率的信息，在300 kV冷冻电镜的帮助下，水分子的氢氧原子清晰可见，这就是近年来震撼了冷冻电镜学界的“第二次分辨率革命”。另外，200 kV的冷冻电镜也已经以高分辨解析、多功能用途而广泛安装使用。近年来，冷冻电镜逐渐成为了生物大分子解析的主流手段之一，但是一台冷冻电镜高昂的价格令许多科研工作者或药企研发人员望而却步。而为了使更多的科研工作者能在分辨率革命中受利，在诺贝尔化学奖得主Richard Henderson的呼吁和推动之下，更为“接地气”的100 kV冷冻电镜也被研发出来。100 kV的电镜打破了对于高电压的需求，在电镜整体设计上和相机选择上都以最高性价比的方案进行整合，相比之下较低的价格，使得100 kV的冷冻电镜成为了一台人人都有机会使用的冷冻电镜。03AI的未来？我们在文章最初说过，研究蛋白质和其他大分子的结构是为了了解其功能，并最终转化为改善人类健康和生命质量的应用成果。为了这个目标，科学家们利用X-射线晶体学和冷冻电镜技术解析了一个又一个蛋白的结构，而在无数量变的积累背后，是否有一项科学家们追求的质变存在呢？1965年，《生物化学年鉴》说"人们甚至希望有一天可以完全从氨基酸序列中推断出构象。"1972年，克里斯蒂安安芬森在诺贝尔奖演讲中说："我们对序列和三维结构之间相关性的大量数据积累，加上多肽链折叠的能量学理论的日益成熟，预测蛋白质构象的想法越来越现实了。"利用氨基酸序列直接预测蛋白空间构象是结构生物学家和分子生物学家们很早就有的渴望。虽然在过去的几十年中，科学家们一直致力于在实验室中用X射线或者冷冻电镜解析蛋白质结构，但科学家们并不会把“将一切存在的蛋白质用X-射线或者电子束打一遍”作为最终目标，掌握规律才是人类在科学探索中真正想要追求的东西。而AI的发展引出了这一目标成为现实的可能。经过深度学习的算法已经可以做到通过与已知结构的蛋白序列进行比较来预测目的蛋白的结构。尽管要真正解析未知蛋白的结构还言之过早，但诸如AlphaFold2等软件也的确为结构生物学的研究带来了不少便利。通过AlphaFold2等计算模拟的方法，与以冷冻电镜为代表的实验结构生物学相结合，两者相辅相成，为生物大分子结构解析，特别是药物发现领域带来了巨大的助力。04Structure Based Drug Design (SBDD)随着结构生物学的发展，人们对药物靶标蛋白的结构和功能的关系的了解越来越深入，逐渐形成了基于结构的药物设计策略，Structure Based Drug Design (SBDD)。1995年，罗氏基于SBDD开发了蛋白酶抑制剂Saquinavir，其抗逆转录病毒的功效可以配合其他药物治疗艾滋病。也使得基于结构的药物设计策略的潜力得到证实。之后，各类抗病毒、抗肿瘤、炎症等新药研发成功。时至今日，对靶标结构的认知和功能的预测几乎成为创新药开发中绕不过去的一环，以近年大热的难成药靶点KRAS为例，安进公司通过KRAS G12C突变体的GTP结合位点“口袋”研发出了首款抑制剂，而这只是结构生物学在药物开发中发挥基础作用的无数案例的一个。有越来越多的例子证明，结构中一些亚纳米级别的微小细节变化，为最终的药物成功与否带来了决定性的影响。相信在未来，技术的发展将带人类进一步认知生命活动中那微小而浩瀚，精密且复杂的分子世界，并为药物研发和疾病攻克带来更多启发和帮助。

p & nbsp & nbsp 低维有机晶态材料具有规整度高和结构缺陷少的特点，是揭示材料本征特性和构筑高性能光电器件的最佳选择之一，近年来在有机半导体电子学和纳米光子学等方面取得重要应用。考虑有机分子的组装特点，通常使用具有较强分子间作用力的平面型有机分子来制备高规整度的低维晶体。相比较，钌、铱等过渡金属配合物虽然被广泛用于多种光电领域，但因其溶解性较差和分子结构非平面型的特点，相关低维晶态材料的可控制备鲜有报道。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 在国家自然科学基金委和中国科学院先导项目支持下，中科院化学研究所光化学实验室姚建年/钟羽武研究团队近年来在光功能金属配合物的设计合成与光电性能方面开展了系统性工作（J. Am. Chem. Soc.2015, 137, 4058 Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54, 9192 & nbsp Coord. Chem. Rev.2016, 312, 22 & nbsp Sci. China Chem.2017, 5, 583）。在此基础上，他们近期选取两种结构和溶解度相似的金属铱、钌光功能配合物作为能量给、受体，制备了双组份均匀掺杂或异质结纳米棒晶体，实现高效三线态能量转移和微纳尺度下多级组装过程的原位观察（J. Am. Chem. Soc.2018, 140, 4269-4278）。 /p p style=" text-align: justify " & nbsp & nbsp 最近，科研人员通过溶液再沉淀法成功制备了甲基化苯基吡啶金属铱配合物的高质量一维管状微纳晶体，并进一步通过晶体掺杂，得到了两种不同铱配合物的二元能量转移晶体，实现聚集发光淬灭(ACQ)受体的光放大和微纳尺度温度响应功能。研究表明，当受体的掺杂量为0.2%时，此类晶体可以实现接近80%的三线态能量转移效率和800倍以上的受体磷光放大。在常温时，晶体表现出受体的红色磷光，固态量子产率达到40%。随着温度的降低，晶体的激子能量转移受到抑制，给体的绿色发光重新被激活，实现微纳尺度下发光颜色变化的原位调控与温敏监测。该工作表明了过渡金属配合物在低维晶体制备与光功能方面的独特应用，并为三线态激子能量转移的机制研究提供重要信息（Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 7820-7825）。 /p p br/ /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201807/insimg/e32021df-136a-457d-afb5-bfd3ccfeb16d.jpg" title=" 3.jpg" / /p p style=" text-align: center " 图：基于金属配合物低维晶体的光放大与温度响应 /p p br/ /p

在一个砷化铟晶体上，12个带正电的铟原子环绕着一个酞菁染料分子，这就是科学家最新研制的分子大小的晶体管。按照摩尔定律的硬限制，这很可能是一个晶体管所能达到的最小尺寸。　　新型晶体管是由德国PDI固体电子学研究所、柏林自由大学、日本NTT基础研究实验室和美国海军研究实验室研究人员组成的国际团队开发的。这一发表在科学期刊《自然物理》上的最新成果朝着量子计算迈出一大步。　　构成晶体管的每个铟原子的直径是167皮米(0.167纳米)，比目前的最小电路——IBM公司刚刚推出的7纳米芯片(晶体管尺寸为7纳米)要小42倍。人类发丝厚度为10万纳米，大约是铟原子尺寸的60万倍 红血球直径6000纳米，是它的36000倍 甚至只有2.5纳米宽的DNA链，大小也达到了铟原子的15倍。　　在这样的原子尺度上，电子流通常很难得到可靠地控制，电子会跳到晶体管外，导致晶体管无效。英国《卫报》网站21日报道称，研究团队使用一个扫描隧道电子显微镜，将铟原子放置在精确位置上，并对通过栅极的电子流进行控制。他们意外发现，位于晶体管中心的酞菁染料分子的方向是由其电荷决定的，这意味着，与传统晶体管只有一种简单的类似开关的状态相比，新型晶体管可能并不只限于此。　　研究证明，通过精确控制原子来创建一个比现有任何其他量子系统都要小的晶体管是可能的，它也为进一步研究如何将这些微晶体管应用于处理能力超过目前水平几个数量级的计算机和系统打开了大门。　　摩尔定律说，集成电路上可容纳的元器件的数目约每隔18个月到24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。芯片上集成的晶体管越多，其功能越强大。目前最新款计算机芯片已经突破7纳米尺度，向更小型化发展越来越难。虽然单分子晶体管距离集成到芯片中还很遥远，但这项新研究仍将有助于下一代计算机——量子计算机的开发。

转载自Knowable Magazine "Structural biology: How proteins got their close-up"前言从细菌到人类，所有的生物都由细胞组成。细胞由四种大型生物分子构成：碳水化合物、脂肪、核酸（即DNA和RNA）和蛋白质。这些生命的重要组成部分小到肉眼无法观测，甚至用光学显微镜也难以成像。因此，尽管19世纪的科学家们知晓这些"隐形"分子的存在，也能够通过实验找出它们的化学成分，但科学家们却看不到它们：这些分子结构的任何细节始终是个谜题。这就是今天的主题：这些"隐形"分子是如何在20世纪被人们成功观测到的。 "许多基础的生物问题是非常容易解决的：只要能看到它们就行！" —理查德• 费曼这是一个漫长而艰辛的故事：关于开发能够解析生物分子结构的工具和技术，以及对这些分子结构的解析如何使我们能够理解它们的功能，并设计出阻止或加强其作用的药物。为了讲述这个故事，我们将重点放在蛋白质上：这些大分子参与了我们身体中几乎所有的化学过程：它们解读遗传密码、催化化学反应、并充当我们细胞的守门员。蛋白质由名为氨基酸的小分子链构成。了解这些链如何折叠成三维结构至关重要，因为正是蛋白质的三维形态决定了它们的功能。若要创建一个准确的蛋白质三维模型，我们需要知道组成该蛋白质的所有氨基酸中的所有原子在空间中的排列。 我们无法看到原子，因为它们比可见光的波长还要小。 为了探测这些原子，我们需要一种波长更短且穿透性极佳的波：这种波使我们能够同时对蛋白质内部和外部的原子进行观测。因此，今天的故事开始于德国的维尔茨堡大学城。在那里，伦琴发现了X射线。X射线的发现那是1895年，威廉• 伦琴正在实验室里工作。像他那一代的许多物理学家一样，他正在做阴极射线的实验：在一个叫做克鲁克司管的设备中产生的电子流。但与他同时代的人不同的是，伦琴注意到了一些意想不到的事情：离克鲁克司管相当远的一个屏幕在发光。伦琴认为，那个屏幕太远了，发光绝不可能是由阴极射线引起的。在接下来的几周里，他研究了这种发光的荧光，并意识到他发现了一种能够穿透固体物体的新型射线。 就在圣诞节前，他把他的妻子带到实验室，给她的手拍了一张照片。 在照片中，她的血肉消失了，但骨头和戒指都清晰可见。威廉• 伦琴因发现X射线于1901年获首届诺贝尔物理奖关于他的发现，伦琴写了一份的报告。1896年初，一份英文译本发表了在《自然》杂志上。"我们看到，一些剂能够穿透对紫外线、阳光或弧光不透明的黑色纸板。所以，研究其他物体能在多大程度上被同一个剂穿透是很有意义的。"该报告继续说道："厚的木块仍然是透明的。两三厘米厚的松木板只吸收了很少的光线。一块15毫米厚的铝板仍然能够让X射线通过，但大大减少了发出的荧光。"伦琴的发现立即产生了影响。在几个月内，医生们就开始用X射线来拍摄骨折。人们为X射线写诗，奇妙的X射线也成为各大展览中的热点。1901年，伦琴因其发现被授予第一个诺贝尔物理学奖：这是本故事中授予科学家们的众多诺贝尔奖中的第一个。与此同时，在实验室里，物理学家们对X射线的性质感到困惑。它们究竟是波还是粒子？另一位德国物理学家马克斯• 冯• 劳厄推断，如果X射线是波，那么它们的波长可能与晶体中原子之间的规则空间相似，从而提供一种破译晶体结构的方法。马克斯• 冯• 劳厄因发现晶体中X射线的衍射现象获得1914年诺贝尔物理学奖这是一个非常重要的推断，它启蒙了X射线晶体学的发展，这种技术最终将使科学家们能够弄清蛋白质结晶的结构，但走到这一步却花了几十年。起初，X射线晶体学被应用于更小的分子。而在这之前，弄清楚该技术的原理也花费了很长的时间。X射线晶体学时代1912年夏天，数学家和物理学家威廉• 亨利• 布拉格和他的儿子，另一位物理学家劳伦斯• 布拉格在英国的海边度假时听闻了冯• 劳厄的一个讲座。 假期结束后，父子俩回到他们的大学，思考晶体对X射线的衍射问题。那年晚些时候，老布拉格给《自然》杂志写信。 他首先描述了通过发射X射线获得的显著效果。"...细小的X射线流在通过晶体后并被发射到照相板时，有了显著效果。在照相板上发现了一种奇怪的斑点排列，其中一些斑点与中心斑点相距甚远，以至于它们必须被解释为大角度的散射....."这些是被晶体中的原子散射的X射线，在胶片上形成了一个独特的斑点图案。"这些斑点的位置似乎取决于简单的数字关系，以及晶体对入射流的呈现方式。我发现，当晶体（锌闪石）被放置到入射光线平行于晶体中立方体的边缘时，斑点的位置可以通过以下简单规则预测。假设原子以矩形方式排列，相邻原子产生的斑点距离为NA，其中A是相邻原子之间的距离，而N是一个整数......"闪锌矿的X射线衍射照片布拉格父子找到的数学规则提供了一种解释X射线产生的衍射图案的方法，从而揭示了晶体中原子的排列。老布拉格设计了一种新的、更强大的方法来进行X射线衍射，发明了一种叫做X射线光谱仪的仪器。1914年，冯• 劳埃因其工作获得了诺贝尔奖。第二年，布拉格父子也得到了诺贝尔奖。当时只有25岁的小布拉格目前仍是最年轻的诺贝尔奖科学得主。布拉格父子的布拉格定律使科学家能够解析各种晶体的原子结构获1915年诺贝尔物理奖起初，布拉格的方法被应用于简单物质，如食盐、苯和糖分子，揭示了它们结构的秘密。许多科学家对像蛋白质结构这样复杂的东西能否用这种方法解析持怀疑态度。1936年，《生物化学年度评论》中讨论了X射线研究的进展。DOI: 10.1146/annurev.bi.05.070136.000431"对于像糖和氨基酸这样的晶体物质，晶体内分子和原子的排列是能被完全解析的；但对于像多糖和蛋白质这样的物质，其中原子的排列不太规则，同时缺乏共同的晶体外观，我们不能指望完全解析它们。"但几年后，即1939年，有人提出了一个更乐观的观点：作者指出，像X射线晶体学这样的技术，正在深刻地改变生物学。 当作者考虑到各种可能性时，他似乎相当兴奋。DOI: 10.1146/annurev.bi.08.070139.000553"生物学迅速成为了一门分子科学，站在物理学和化学的肩膀上，生物学的前景广阔，人们迫切地想知道生物学会将人类带向何方。生物分子的结构成为了学界的主流追求。这些分子中最重要的是蛋白质，而蛋白质的结构解析也是最激动人心的。"为了解决蛋白质问题，需要取得一些进展：寻找更好的蛋白质结晶方法，并用新的数学方法解析X射线的衍射图案；以及用计算机计算数据。 英国剑桥的科学家们正致力于应对所有这些挑战。1953年，X射线晶体学获得了巨大突破：它被用于解析一个极其重要的结构， 并不是蛋白质，而是DNA，詹姆斯• 沃森、弗朗西斯• 克里克和莫里斯• 威尔金斯为此获得了诺贝尔奖。因解析DNA分子结构，以及一些相关研究获1962年诺贝尔生理学或医学奖的三位得主约翰• 肯德鲁是沃森和克里克在剑桥的同事，作为一位非常积极的研究人员，他下决心解析肌红蛋白的结构。 肌红蛋白是在肌肉中储存氧的蛋白质。肯德鲁选择它的原因是尺寸：肌红蛋白并不大。 他的首要任务是培育适合被X射线解析的晶体。在尝试对马、鼠海豚、海豹、海豚、企鹅、乌龟和鲤鱼的肌红蛋白进行结晶后，他终于成功地培育出从抹香鲸肉中提取的肌红蛋白的美丽晶体。 鲸鱼肌肉细胞内部的含氧肌红蛋白（红色）以及肌动蛋白和肌球蛋白纤维（黄色和棕色）。大量的蛋白质结构现在已经被确定，这是一个曾经无法想象的成就--为生命的生物化学提供了关键的见解，也为新型药物设计和其他发明提供了素材。与此同时，肯德鲁的同事马克斯• 佩鲁兹开发了一种向蛋白质分子添加"重"原子的技术。这些重原子并不会改变蛋白质的结构，但它们为比较不同角度的X射线照片提供了一个参考框架。经过多年的工作，肯德鲁仍然不知道肌红蛋白中每一个原子的精确位置，但他拥有了足够的信息，使得他可以制作一个蛋白质的三维模型。 这个模型并不像DNA的双螺旋那样漂亮；它看起来更像一根扭曲的香肠。马克斯• 佩鲁兹(左)与约翰• 肯德鲁(右)，因发现血红蛋白分子结构获1962年诺贝尔化学奖肯德鲁和他的肌红蛋白3D模型就在这个时候，理查德• 亨德森加入了这个小组。直到今天，亨德森仍然在剑桥从事蛋白质结构解析的工作，并以开拓新技术而闻名，我们稍后将听到这些技术。但那时他刚刚毕业，正在寻找一个博士生职位。他还记得从爱丁堡到剑桥参观实验室的情景：理查德• 亨德森(右)冷冻电镜三位开创者之一于2017年获诺贝尔化学奖理查德• 亨德森： "他们有一个开放日，也就是星期六上午，他们周末居然也在工作！而在我去过的其他实验室，科学家都回家了，积极性也不够高。所以我当时就想：“哦，这是个非常好的实验室”。亨德森加入了这个勤奋的剑桥团队。这项工作虽令人激动，但进展极慢。理查德• 亨德森： "在1959年，他们以非常高的分辨率得到了肌红蛋白的结构，1960年这项研究成果发表，之后的五年没有任何其他结构被发表，直到伦敦的皇家研究所发表了溶菌酶。然后在那之后，又过了三年才有了第三个结构。"难以相信科学家们花了这么久的时间，为什么进展如此缓慢？一开始，X射线晶体学家研究的小分子包含不到50个原子，例如苯和糖环。相比之下，肌红蛋白，一种相对较小的蛋白质，包含了超过1000个原子。为了弄清这么多原子的位置，科学家不得不拍摄数百张X光照片，测量每张照片中每个光点的强度，并进行繁琐的计算。这是一个对数据处理的巨大挑战。理查德• 亨德森："在我的博士论文中，我拍摄了大约300张这样的照片，一开始我必须亲自测量它们：我得把胶片放在胶片扫描仪里，一束光沿着一排斑点移动，然后每隔三分钟，就能得到一张印有痕迹的纸，上面可能有40个斑点。这时我需要用尺子在纸上测量斑点被衍射的强度，然后再把这个数字打到电脑纸上。而这仅仅是一排斑点的工作量。"这是非常耗费时间的。研究人员逐渐渴望如何将这一过程的一部分自动化。他们发明了自动的X射线探测器和仪器，以加快斑点的测量。约翰• 肯德鲁意识到，解析一个结构所需的计算可以由计算机来完成。幸运的是，剑桥大学数学实验室刚刚建成了第一批具有存储程序的电子计算机。它们被称为EDSAC，肯德鲁便学习了如何为它们编程。随着更强大的计算机的出现，X射线晶体学家们开始使用借助计算进行结构解析。亨德森回忆说，在20世纪60年代，他们前往伦敦，使用帝国学院的IBM 7090。剑桥大学的团队每天可以使用这台计算机1个小时。最早的两台IBM7090之一理查德• 亨德森 ："于是，每天下午4点，一辆出租车就来了，带着一批研究人员和一箱箱打包好的电脑卡，送到剑桥的火车站。她们上了去伦敦的火车，上了地铁，在南肯辛顿站和帝国学院之间的隧道里带着所有这些沉重的盒子走上大约有一公里。然后从晚上7点到8点，剑桥大学的MRC程序在计算机上运行，操作程序的人大多数是被招募的年轻女性，在当时被我们称为 "计算机女孩"，她们现在都是大师了。在当时，她们做的极其完美：数据会被打印好并带回来。第二天早上9点，每个研究员都会检视他们前一天的数据，并为下午4点的寄送工作做好准备"。罗莎琳• 富兰克林“DNA之母”世界公认的名誉诺奖得主难怪这是个缓慢的工作! 女士们不仅要携带着成箱的数据穿越伦敦，她们还要抽出时间去做X射线晶体学解析。在伦敦国王学院，罗莎琳• 富兰克林制作了DNA的X射线衍射图案。她的照片使沃森和克里克能够制作他们著名的模型。 在牛津，多萝西• 霍奇金解决了青霉素的结构，后来又研究了其他重要的医学分子，包括维生素B12和胰岛素。她于1964年获得了诺贝尔奖，该领域的另一个诺贝尔奖!多萝西• 霍奇金因解析青霉素、维生素B12等结构获1964年诺贝尔化学奖随着更多计算机的出现和计算能力的提高，更多的结构被解决了。计算机的持续进步是另一个主题，我们将回到这里。对结构生物学这一新领域的兴奋之情日渐高昂。一些科学家认为，最终他们甚至不需要X射线晶体学便能弄清蛋白质的结构。"人们甚至希望有一天可以完全从氨基酸序列中推断出构象。"那是在1965年在《生物化学年鉴》上被提出的。 当时的想法是，如果你知道展开的蛋白质链中的氨基酸序列，那么通过遵循原子和分子如何相互作用的简单规则，你可以算出蛋白质链将如何折叠起来。DOI: 10.1146/annurev.bi.34.070165.001335化学家克里斯蒂安• 安芬森在1972年的诺贝尔奖演讲中重复了这一主张。"我们对序列和三维结构之间相关性的大量数据积累，加上多肽链折叠的能量学理论的日益成熟，预测蛋白质构象的想法越来越现实了。"这是一个有吸引力的想法。 如果可以用蛋白质折叠的规则对计算机进行编程，并输入氨基酸序列，那么结构可能在几天而不是几年内得到解决，为昂贵和耗时的实验方法提供一个替代方案。克里斯蒂安• 安芬森因对核糖核酸酶的研究获1972年诺贝尔化学奖但现在还不行。为了实现这样的目标，生物学家首先必须通过使用和改进X射线晶体学来解决更多蛋白质的结构。并通过发明新的方法来观察蛋白质。而这项工作将产生更多的诺贝尔奖。在1999年的最后几周，生物化学家罗杰• 科恩伯格终于抵达了他十多年工作的顶点：他在斯坦福同步辐射实验室成功解析出他一直在研究的蛋白质的结构。罗杰• 科恩伯格因对真核转录的分子基础所作的研究获得2006年诺贝尔化学奖罗杰• 科恩伯格： "一开始的时候，我们远远不清楚是否可以做到。当然，这是让我们从也许永远不会成功的恐惧中解脱出来的原因，也是对最终结果感到振奋的原因。"科恩伯格和他的团队已经解决了RNA聚合酶的结构。 这是一个巨大的成就，并且得到了另一个诺贝尔奖的认可。罗杰• 科恩伯格： "在我们解析这个结构的时候还是20年前，但迄今为止，这依然是通过X射线衍射法研究的最大和最具挑战性的结构。"RNA聚合酶可以说是生物学中最重要的蛋白质。 这是一个挑战，因为它不是一个单一的蛋白质。该团队研究了来自酵母的RNA聚合酶，它实际上是由12种蛋白质组成的。更重要的是，它是一个有活动部件的分子机器。罗杰• 科恩伯格："RNA聚合酶实际上是在读取遗传信息。因此，它负责决定哪些信息将被储存在基因组的DNA中，以指导每个生物的活动能力。简单如病毒，或复杂如人类，没有生物体不依赖RNA聚合酶而生存。"为了解决RNA聚合酶的结构，科恩伯格和他的团队花了数年时间，为他们的蛋白质寻找合适的晶体和 "重 "原子。但这还不够。他们还需要更强烈的X射线束。罗杰• 科恩伯格： "X射线衍射的方法依赖于结构中各个原子的X射线光子散射--原子数量越多，为此必须记录的散射光子数量就越大。 如果光束强度太低，光子的数量就太少了，获得的信息也会因此不足。使用强度较高的光束，可以检测和记录更多的原子"。这一难题的解决方案便是同步加速器。同步加速器是一种粒子加速器，它以极高的速度推动电子束，这些高速电子发出的X射线比传统的X射线要亮几百万倍。它本质上是伦琴发现X射线时使用的克鲁克司管的一个升级版本。来自同步加速器的高强度X射线和不断提高的计算机能力相结合，使得像科恩伯格这样的科学家能够解决更复杂的蛋白质结构。2007年至2019年，当我在《自然》杂志工作时，我们经常对结构生物学论文的数量开玩笑：似乎每周都有一个新的、重要的蛋白质结构发表。但这是有限制的。X射线晶体学仍然很耗时，尽管不像早期那样耗时。 而且一些类型的蛋白质被证明很难或不可能结晶。冷冻电镜时代在世纪之交，一种新的技术进入了人们的视野。或者说，一种新的技术让科学家们对蛋白质有了新的认识。 该技术不使用X射线，而使用电子束。 这就是所谓的冷冻电镜。称之为冷冻，是因为蛋白质样品会被冻结。理查德• 亨德森是最早使用该技术的人之一。ThermoFisher Krios G4 冷冻透射电镜理查德• 亨德森： "当你照射任何东西时，无论是用X射线还是电子，除了得到一个美丽的图像外，分子实际上在被破坏，在一定的曝光后，分子已经失去了它的结构，所以在不得不因照射次数太多而停止之前，能得到的信息量是有限的，因为样品已经失活了。而事实证明，对于同样数量的有用信息，电子所造成的损害要比X射线小一千倍。"对于冷冻电镜，蛋白质不需要是一个晶体。相反，它被从细胞中分离出来，然后冷冻到液氮温度或以下。 冷冻有助于保护蛋白质免受辐射损害。亨德森将该技术应用于嵌入细胞膜的蛋白质。事实证明，这些大型蛋白质复合物极难通过X射线晶体学进行研究。 冷冻电镜变得非常流行。 在2000年代，科学家们谈到了一场 "冷冻电镜革命"，许多人从X射线晶体学转向了这种新的、更快的技术。2017年，理查德-亨德森被授予诺贝尔奖。与X射线晶体学一样，随着计算能力的提高，冷冻电镜成为一个更强大的工具，使更多的数据能够更快地被分析出来。罗杰• 科恩伯格："我们不能低估计算能力的非凡进步所做出的贡献。从这个角度来看，就RNA聚合酶而言，当我们在1999年底记录RNA聚合酶的X射线衍射以解决其结构时，需要在制造商提供给我们的特制计算机上进行一个多月的计算。今天，同样的计算可以在几分钟内在一台笔记本电脑上完成"。计算机一直是X射线晶体学和冷冻电镜成功的关键。 现在我们是否可以完全摒弃这些实验技术，而仅仅使用计算能力来预测蛋白质的结构？还记得克里斯蒂安• 安芬森在其诺贝尔演讲中提出的挑战吗？"...使预测蛋白质构象的想法更加现实。"AlphaFold的盛大登场为了预测一串氨基酸将如何折叠起来，科学家们使用了一个叫做"自由能"的概念。自由能使蛋白质不稳定。我们的想法是，氨基酸将以这样一种方式折叠起来，以使自由能最小化。理查德• 亨德森: "你可以通过能量最小化来做结构，最多可达60或70个氨基酸。所以美国西雅图的大卫• 贝克小组在这方面做得特别好。但是一旦你想尝试1000个氨基酸左右的蛋白质，答案就会迅速变得遥不可及。"因此，这项技术对于弄清一个蛋白质的一小部分，也许是一个重要的侧链，是有效的。但是对于有数百或数千个氨基酸的整个蛋白质，科学家们采用了不同的方法。他们并不是要求计算机从第一原理中找出结构，而是利用已知的蛋白质结构数据库训练一种算法。 这就是谷歌的人工智能实验室最近所做的，他们的蛋白质预测算法AlphaFold在2020年的一次比赛中超过了所有其他的算法。罗杰• 科恩伯格："AlphaFold的基础确实来自于蛋白质结晶学的悠久历史和它的巨大成功，以及已经解析并存入蛋白质数据库的巨量的结构。AlphaFold的不同之处可能在于，其公司背景下大量的人工智能专家，这远远超出了任何个人学术研究者所能做到的，他们所拥有的计算能力，来自于分布在全球各地的顶级计算中心。从某种程度上说，他们除了将他们所拥有的资源用于解决一个经过充分研究的、现在看来已经解决的问题之外，也没做太多贡献嘛。科恩伯格当然认识到像AlphaFold这样的蛋白质预测程序在预测非常多的蛋白质结构方面的潜力，包括那些以前没有被解决的蛋白质。罗杰• 科恩伯格： "而如果预测的数量足够多，那么AlphaFold对生命科学，尤其是生物学的影响是深远的。"

从一类技术角度来说，直接和间接获得诺贝尔奖的技术非结构生物学莫属。经过半个多世纪的耕耘，这一技术现在到了快速收割的季节。现在代表结构生物学技术的多种技术正在走向整合，但整合技术仍然需要进一步推动和推广。 　　上世纪50年代，开文迪许实验室M.Perutz J.Kendrew用X-射线晶体衍射技术获得了球蛋白结构。X射线晶体衍射技术的应用，使人们可在晶体水平研究大分子的结构，在分子原子基础上解释了大分子。1962年，Waston和 Crick因基于结构生物学技术的研究结果发现了DNA双螺旋结构获得了诺贝尔生理学与医学奖，M.Pertt和J.Kendrew获得了同年的诺贝尔化学奖。 　　60-70年代，开文迪许实验室又发展了电子晶体学技术，研究对象主要是有序、对称性高的生物体系，如二维晶体和高对称性三维晶体。70-80年代，多维核磁共振波谱学使研究水溶液中生物大分子成为可能，溶液中生物大分子更接近于生理状态。 　　80年代，冷冻电子显微镜出现，这种技术不仅能够研究生物大分子在晶体状态和溶液状态的结构，且能够研究研究复杂大分子体系和超分子体系，如核糖体、病毒、溶酶体和线粒体等。 　　杂交或整合方法把多种结构生物学方法结合在一起，大大推动了结构生物学的研究。荧光能量共振转移(FRET)是20世纪初发现的，随着绿色荧光蛋白应用技术的发展，FRET已经成为检测活体中生物大分子纳米级距离和纳米级距离变化的有力工具，在生物大分子相互作用分析、细胞生理研究、免疫分析等方面有着广泛的应用。 　　冷冻电子显微镜技术通过快速冷冻的方法进行固定的，克服了因化学固定、染色、金属镀膜等过程对样品构象的影响，更加接近样品的生活状态。研究对象非常广泛，包括病毒、膜蛋白、肌丝、蛋白质核苷酸复合体、亚细胞器等等。所研究的生物样品既可具有二维晶体结构，也可是非晶体。由于对于样品分子量没有限制，突破了X-射线晶体学只能研究三维晶体样品和核磁共振波谱学只能研究小分子量样品的限制。计算机技术则可以将各种信息进行整合，从而可以获得接近真实的三维分子模拟数据。 　　现在结构生物学研究越来越多地依赖这种整合技术。2012年加州大学Andrej Sali等解析了26S蛋白酶体的结构。这种结构在许多神经退行性疾病的神经细胞都存在异常。现在科学家正利用这种结构作为模型开发能调节蛋白酶体活性的药物。今年另外一个小组利用整合技术分析决定感染细胞的艾滋病蛋白结构，利用这种结构开发治疗艾滋病的药物。整合技术也被用在解析核糖体结构。核糖体是细胞制造蛋白质的细胞器，是实现基因表达的关键机构。 　　目前的蛋白数据库存在一些问题，如这些数据主要依靠晶体结构数据，缺乏对其他相关数据的整合，这一问题给结构生物学领域提出要求应该大力推动整合技术的发展。10月6-7日，由4个机构组织了一次整合结构生物学培训班，以推动结构生物学技术的扩展和引领大家将结构和疾病结合起来研究。 　　参加学习的大部分学员都支持应该采用标准模式描述多方面的数据，这有利于其他学者整合和利用这些数据。但由于结构数据往往十分巨大，如何有效储存和获取这些数据仍然存在一些问题。会议结束时达成一项共识，将申请经费构建一种&ldquo 分子机器&rdquo 数据库中心。 　　欧洲分子生物学实验室细胞生物学家Jan Ellenberg说，获取全部分子结构的数据是结构生物学的目标，这个愿望或许能在10或20年后实现。 　　原文检索： 　　Ewen Callaway. Data bank struggles as protein imaging ups its game. Nature, 22 October 2014 doi:10.1038/514416a

纳米尺度的光电融合是未来高性能信息器件的重要发展路线。如何在微纳甚至原子尺度对光进行精准操控是其中的关键的科学问题。中国科学院国家纳米科学中心研究员戴庆研究团队率先提出利用极化激元作为光电互联媒介的新思路，充分发挥它对光的高压缩和易调控优势，不仅有望实现高效光电互联，而且可以提供额外的信息处理能力，从而进一步提升光电融合系统的性能。 　　该团队通过十多年的努力，实现了极化激元的高效激发和长程传输。在此基础上，研究设计并构筑了微纳尺度的石墨烯/氧化钼范德华异质结，实现了用一种极化激元调控另一种极化激元开关的“光晶体管”功能。研究表明该晶体管可实现光正负折射的动态调控，类似电子晶体管能切换(1,0)两个高低电位，为构筑与非门等光逻辑单元奠定了重要基础。该研究充分发挥了不同材料的纳米光子学特性，从而突破了传统结构光学方案如使用人工结构(超材料和光子晶体等)在波段、损耗、压缩和调控等方面的性能瓶颈。 　　与电子相比，光子具有速度快、能耗低、容量高等优势，被寄予未来大幅提升信息处理能力的厚望。因此，光电融合系统被认为是构建下一代高效率、高集成度、低能耗信息器件的重要方向。光电互联(电-光-电转换)是光电融合主的基础，相当于光电两条高速公路交汇的收费站。而现有硅基光电集成方案存在效率低(依赖多次光电效应)、体积大(光模块无法突破衍射极限)等问题，制约光电器件之间的信息流转。然而，光子不携带电荷且光的传输受限于光学衍射极限，相比于能轻易通过电学调控的电子，对光子的纳米尺度局域和操控并不容易。 　　极化激元是一种由入射光与材料表界面相互作用形成的特殊电磁模式(表面波)。它具有优异的光场压缩能力，可轻易突破光学衍射极限从而实现纳米尺度上光信息的传输和处理。 　　戴庆团队以攻克高速光电互联这一世界技术难题为目标，提出以纳米材料的表面波(极化激元)为媒介，实现高效光电互联的新思路。构筑光-极化激元-电转换路径相当于将高速公路的收费站改造成立交桥，具有显著优势：一是效率高，光/电激发材料表面波的效率相比光电效应提升潜力巨大；二是集成度高，光波转化成材料表面波可将波长压缩百倍轻松突破衍射极限，从而显著提升光模块集成度；三是算力强，材料表面波具有光子性质可进行高效并行计算，从而将现有光电融合的“光传输、电计算”拓展成为“光传输、电计算+光计算”，实现“1+12”的效果。 　　戴庆提出，我们利用电学栅压对极化激元这种光波的折射行为实现了动态调控，使其从常规的正折射转变到奇异的负折射。这好比可以像操纵电子一样操纵光子，为将来高性能光电融合器件与系统的发展提供重要促进作用。这一研究在应用上面向光电融合器件大规模集成缺乏高效、紧凑光电互联方式的重大需求，在科学上为解决突破衍射极限下高效光电调制的难题提供了新思路。 　　2月10日，相关研究成果以Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons为题，发表在《科学》(Science)上。该论文审稿人评价道，这证实了一项非常规的物理现象，为研究纳米尺度的光操控提供了崭新的平台。图示极化激元晶体管的基本原理，通过在氧化钼上覆盖石墨烯构筑范德华异质结，天线激发极化激元传输穿过界面后形成负折射。极化激元晶体管的光学显微镜照片