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科學神燈─同步輻射光源

104/09/24 瀏覽次數 1720
大家或許都知道中東童話故事裡那盞奇妙的阿拉丁神燈,裡面住著一個使命必達的精靈,他為少年實現許多願望,照亮他的人生。但,您知道嗎?新竹科學工業園區內也有兩盞「神燈」,一大一小的雙環裡藏著光的精靈,點亮台灣的科技能見度,驚豔全球。

光,是人們觀察及研究大自然最重要的工具,在人類文明史中,每當有新光源出現,就會產生革命性的進展,從電燈、X光、雷射的使用到LED的發展,都驗證了新光源能為科學研究開創新局,而同步輻射加速器產生的光,是人類目前找到的最強光源,一樣具有改寫歷史的動能。

同步加速器是一科學實驗設施,其產生的高能量、高亮度光源光束,可讓科學家看見物質的細部結構。早期在大學及科研機構裡進行的研究,常因實驗光源的亮度或解析度不足而影響觀察結果,運用同步輻射光源可克服這個難題,但沒有此項設備的國家則相對缺乏優勢。

有鑑於此,台灣第一座同步加速器「台灣光源」(Taiwan Light Source, TLS)於1993年10月16日完工出光,以滿足基礎與應用科學實驗所需。自啟用以來,已產出為數可觀的頂尖研究成果,蜚聲國際。然而,隨著尖端研究對高亮度光源的需求日益殷切,為在激烈的全球科技競爭中保有優勢,國家同步輻射研究中心在2010年2月7日動土興建「台灣光子源」(Taiwan Photon Source, TPS),籌建過程中,歷經千辛萬苦,終於在2014年12月31日試俥成功,綻放光芒,並於2015年1月25日舉行落成典禮。

TPS完全由國人自行設計、建造及組裝,周長518公尺、能量高達30億電子伏特,光源亮度是傳統X光的兆倍以上,無論多麼細微複雜的物質結構,在它的照射下,都能清晰現形,堪稱是「透視宇宙奧祕的終極光束」,這也是人類探尋先進光源的漫長歷程中,一個重要的里程碑。

聯合國教科文組織(UNESCO)將2015年訂為「國際光之年」,在這台灣科技史上極具意義的時刻,本展特以兩個單元帶領讀者認識科學神燈以及光之精靈的魔力。「台灣之光」帶您鳥瞰國家同步輻射中心,並介紹TLS和TPS的設施和運作原理,同時深入蛋白質結晶學實驗站,探看難得一見的實驗過程。「透視蛋白質」則以陳俊榮研究員的研究為例,帶您了解如何製備蛋白質結晶,並一窺在超高亮度光源照射下所產生的三維分子結構圖。

台灣之光
同步加速器的主要設施可分為:增能環、儲存環和光束線3大部分,以TPS的出光運轉過程為例,電子束先由電子槍產生,再經由直線加速器增速到15千萬電子伏特(150 MeV),然後進入「增能環」繞圈圈,並繼續加速至30億電子伏特(3 GeV)。接著,將這些逼近光速的電子束經由傳輸線注入「儲存環」,當電子束碰到環中的偏轉磁鐵,就會出光,再透過光束線傳到實驗站。

TLS和TPS最大的差別在於後者具有較高的能量和亮度,可用來透視奈米等級的細微材料與結構。未來,日趨輕薄短小的的晶片、微小的蛋白質結晶、恐龍蛋化石裡的胚胎,都將更無所遁形,TPS可望為台灣奈米科技和生物醫學領域開創嶄新的研究方向。

透視蛋白質
蛋白質是維持生命必需的養分,在生命體中扮演重要角色,對其越了解,就越能透視生命的過程。蛋白質結晶學是一門研究蛋白質結構的科學,藉由同步加速器所釋放的超級亮光,可清楚見到其廬山真面目。

由於蛋白質在水溶液時的繞射訊號太弱,必須先培養生成固狀的蛋白質晶體,之後將其凍在液態氮下,並在照射X光過程中不間斷地收集一張張連續的晶體繞射圖譜,再加以分析,以決定蛋白質結構。運用此一方式產出的相關研究結果,除有助於研發醫療診斷用的藥物,設計出更專一性、微副作用且藥效持久的小分子藥物外,也可使用於工業上,藉以提高蛋白質酵素的生產速度和良率。

展示圖文
台灣之光
透視蛋白質

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監製:科技部
策展:國家同步輻射研究中心
視覺設計:頑石創意股份有限公司

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國家同步輻射研究中心

著作權                                                         
 圖片:©科技部、國家同步輻射研究中心、陳俊榮研究員
 影片:發現新台灣─國家同步輻射研究中心                             
     ©國家同步輻射研究中心

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