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9分之7等于多少 6分之6等于多少

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本报首席采访人员何岳群
一尺之棰，日取其半，万世不竭 。无限中有什么？
自先秦以来，人类从未停止对微观世界的探索 。如今，中国科学家正在上海张江“打磨”世界上最先进的光源，希望能看到微观世界中的生机——比如，瞬间为活细胞制作电影 。
拍一部电影，你得有过硬的硬件:灯光、镜头、感光器件，缺一不可 。
在分子层面的微观世界“拍片”也需要这三个要素的配合，但在工程上的追求几乎接近极致 。以光为例 。不可能是日常生活中看到的散射光 。必须是超高亮度相干光，波长要短到纳米级 。1纳米，大约是一根头发的1/60000 。
6月21日凌晨，里程碑时刻终于到来:上海软X射线自由电子激光装置在100飞秒(fs，1飞秒=十亿分之一秒)内实现了2.4 nm单个激光脉冲的相干衍射成像，这在国内尚属首次 。这种相干衍射图样反映了活细胞结构和功能成像的线站工程和上海软X射线自由电子激光装置整体性能的进步，标志着我国在软X射线自由电子激光的研究和应用方面已步入国际先进行列 。
6月22日，为了验证“分子膜”的逼真程度，上海的科学家们挑战了图案的重建——在镀金的s in膜上刻上3微米的手征螺旋图案 。一束软X射线自由电子激光穿过一根120米长的管子，击中薄膜 。通过分析和重建衍射数据，他们得到了鹦鹉螺逆时针旋转的图像——几乎是原始图像的复制品 。
【9分之7等于多少 6分之6等于多少】标准圆孔、方孔和鹦鹉螺图样的相干衍射图样，上海科技大学提供 。
“我希望每个人都能意识到，我们的研究人员能做出如此美丽的衍射图样，这是一种非常幸福和美好的感觉 。”上海科技大学大科学中心主任、活细胞结构与功能成像等线站工程总经理刘志在发布会上激动地说，“真希望大家能一起感受到我们的快乐 。”
美丽的衍射图样背后是完美的圆满 。刘志感慨地说，我们120米的传输系统，这些镜子，这些光栅，这些孔，一定是完美的光传输系统，一定是一条线上的 。这台科学仪器并不是比别人的东西更好，而是从加速器到仪器的后部 。我相信有几百万个零件，都要发挥非常高的性能 。即使有一部分出了问题，我们也不一定能得到刚才说的最终结果 。
分数完美到什么程度？刘志给导报采访人员举了个例子——自由电子激光最好的反射镜应该是原子级的平面，1米镜的高度误差不能超过6纳米 。“放大1000倍，相当于1公里长的柏油路 。最高点和最低点之差不能超过6微米，也就是头发直径的十分之一 。”
这个装置的完美运行需要环境的配合 。上海科技大学教授、活细胞结构与功能成像等线站工程副经理江怀东告诉论文，比如地面不能有大的震动，来往的重型车辆要控制 。怀东笑着说，一般晚上是他们做实验的黄金时间，因为园外来往车辆少，噪音小，对实验装置干扰小 。
回忆起夜以继日的调试过程，刘志表示，在这么短的时间内调出来非常不容易，这体现了中科院上海高等研究院和上海科技大学的团结合作 。“即使它被转移到我们的实验站，我们也花了很多天时间将其放入腔中，并调整这个最终焦点，使其达到我们需要的光子密度，然后才能打印这张照片 。”
为了打造这个微观世界的“神器”，科学家们努力了5年 。2016年11月，上海科技大学、sinap与中科院上海高等研究院共建活细胞结构与功能成像等线站项目 。包括工程用户波荡器光束线、活细胞成像光束线、生物成像实验站、活细胞荧光超分辨显微镜站、超快物理实验站、超快化学实验站、分子动态成像实验站及实验辅助设施，预计2021年完成验收 。按照计划，该装置有望在2022年向全球开放 。
目前，活体细胞结构与功能成像的线站项目和上海软X射线自由电子激光装置已成为世界上仅有的两台实现“水窗”波段相干衍射成像实验的自由电子激光装置之一 。
“水窗”是指波长在2.3纳米到4.4纳米之间的软X射线波段 。在这个波段，水不吸收X射线，对X射线相对透明 。但碳等构成生物细胞的重要元素仍与X射线相互作用，因此水窗波段的X射线可用于活体生物细胞的显微成像，具有重要的科学意义和应用价值 。
在水窗波段，自由电子激光脉冲的峰值亮度比同步辐射高十亿倍以上，具有水平和垂直相干性，不仅可以为物理、生物、化学等学科提供革命性的研究工具，还可以为正在建设中的上海硬X射线自由电子激光装置技术的研发提供支撑 。
活细胞结构与功能成像线站项目和软X射线自由电子激光用户装置由国家发改委和上海市政府共同资助 。作为国内首台X射线自由电子激光装置，上海软X射线自由电子激光装置由活细胞结构和功能成像等线站工程和软X射线自由电子激光用户装置组成 。两个项目同步建设，有机衔接 。该装置与已建成的上海同步辐射光源、超短激光装置和在建的硬X射线自由电子激光装置一起，将在浦东张江建设具有全球影响力的光子科学设施和研究中心集群 。
刘智说，这个装置有广泛的科学应用 。以生命科学领域为例，软X射线自由电子激光装置(XFEL)的相干衍射成像可以探索细胞的超微结构，而超分辨率荧光成像可以进行功能成像 。两者结合后，细胞将呈现出前所未有的细节:“你可以把细胞想象成一座城市，细胞器就像群落一样，你可以看到蛋白质是如何行进的 。”
中科院上海高等研究院上海光源科学中心副主任、软X射线自由电子激光用户装置项目常务副经理刘波表示，X射线自由电子激光速度足够快，可用于活体生物细胞的显微成像，具有重要的科学应用价值 。他说，事实证明我们无法找出活细胞的真实结构 。“以前我们可以‘辐射’活细胞，但是一下子就‘杀死’了，我们看到的是死细胞的状态 。虽然‘水窗’波段的X射线自由电子激光也‘杀死’了细胞，但它捕捉到了细胞死亡前的状态，因为它足够快，足够强 。”
刘智说，在过去的50年里，光的亮度增加了10的22次方，在汉语表达中没有对应的汉字 。光源质量的提高也带来了实验质量的提高 。我们的最终目标是在瞬间(fs，1飞秒=十亿分之一秒)测量一个系统，达到原子级的精度 。
上海软X射线自由电子激光装置 。上海科技大学供图
用户波荡器线束 。上海科技大学供图
用户大厅 。上海科技大学供图
生物成像实验站 。上海科技大学供图
编辑:沈
校对:张

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