2014年11月3日

臺灣結晶學發展史

本文從簡述國際上在2014年的結晶學年活動至臺灣在結晶學上的發展,包括60年代至今的儀器演化,乃至同步輻射設施之成立。

作者/王 瑜(任職中央研究院副院長、臺大化學系)

在講到臺灣結晶學發展史之前,我想稍微簡單介紹一下,2014年國際結晶學年的一些國際上的活動。國際結晶學會為了國際結晶學年,特別架設了網站(www.iycr2014.org),在網頁上有許多的活動,是各國為了配合國際結晶學年而舉辦的。其中,有個影片名為「歡迎來到結晶的奇妙世界(Welcome to the Wonderful World of Crystals)」,在影片裡,使用非常淺顯易懂的文字來說明,什麼是結晶學,結晶學又為人類做了什麼(what crystallography can do for you),如果有興趣的人,很值得去看一看。此外,有一些國家,例如:比利時、印度、以色列、波蘭、斯洛法克、瑞士等等,都發行了一些郵票,在這些郵票上的圖案都與結晶學有關。而澳大利亞以及摩洛哥等,還出了錢幣,其設計也是與國際結晶學年有關。另外,為了要吸引一般大眾的注意,也舉辦了攝影比賽,照片當然是與結晶學愈相關愈好,有些照片還蠻有趣的,例如,有用餅乾和水果做成的規律排列;還有一部分是設計給小學生及中學生的實驗,讓他們長晶,長出各式各樣非常漂亮的晶體;還有就是針對高中生或大學生所辦的開放式實驗室,尤其是在一些比較落後的國家,他們做了相當多的努力。

國際結晶學發展
自1895年倫琴(Röntgen) 發現了X光之後,早期醫生們都很興奮可以用X光來照骨頭、人體或動物;這個應用一直延續到今天,人們到醫院去照X光,已經是很常見的事。從1895年到1910年代初期,人們幾乎是瘋狂的將X 光當成攝影的光源,那個時候還不太懂得去擔心輻射的問題。一直到1912年,才開始有物理學家用它來照物質,首先是研究礦物或食鹽等簡單物質。而國際結晶學年,也就是指,人們開始利用X光應用到原子、分子科學,到現在剛好是100年。

從早期到現在,得到諾貝爾獎的物理學家、化學家、生物學家,有非常多人的研究是與X光有關,像拉維(Laue)、布拉格(Bragg)父子,分別在1914及1915年得獎,表揚他們首創對於簡單物質(例如:食鹽、硫化鋅)的結構分析,利用X光來測定原子、分子的細微結構,即可看到次奈米的解析度。之後漸進式的發展到能解決比較複雜的分子。

X光,一開始是物理學家與地質學家用得多,直到1950~1960年,則是化學家大量使用來解析比較複雜的分子結構,從有機分子到無機分子。1964年,桃樂絲.賀金思(Dorothy Hodgkins)得到諾貝爾獎,是解析了維他命B12的結構。發展到現在,人們可以解析的結構是愈來愈複雜,甚至可以到膜蛋白,這在50、60年代認為根本不可能做到的。所以,凡事經過不斷的努力還是可以辦得到的。

X光繞射儀器之演化
結晶學在國際上從1895年到現在,也不過100多年,在這期間,儀器之演化扮演著相當重要的角色。因為X 光只是光源,我們還是需要一些偵測器等來配合,所以,在X光繞射儀器的進展,自1900年X光發現後,就必須努力把X光的光管做好。至於偵測器,就是所謂的照相機,裡面放了底片然後照相,跟我們今天照人體的X光機差不多,只是照的東西是物質而不是活體,在得到照片之後,再針對照片中數以千計的資料來進行分析。

一直到了1969年才有所謂的「四環自動繞射儀」誕生,那個時候科學家都感到很興奮,因為不再需要用一張一張的底片去照,再一張一張洗出及分析,所得到的數據可以直接輸入電腦進行分析,這是一大邁進;自1970年之後,結構解析的速度增加得非常快,這也拜當時電腦發展之福。

到了90年代,又出現了所謂「面偵測器(area detector)」,以前是一點一點去收集數據,現在可以一個面、一個面去收集數據,速度當然加快很多,加上電腦的發展神速,在90年代之後,結構解析發展就更快速了。以前用點偵測器收集數據時,一個結構需要至少3~4天的時間,有了面偵測器後,就可以大幅縮短時間成3~4個小時(如果不太在乎解析度的話)。也就是說,在90年代之後,要解一個比較複雜的分子,收集數據,是重要的一環,同時靠電腦數據分析的速度也很重要。

因此,90年代後期,蛋白質結構解析也能發展快速,就是因為偵測器、電腦分析方法及程式進展神速的關係。當然,利用同步輻射強而精準,又能調頻的光源,更是大分子結構發展快速的助力。
臺灣X光繞射儀器之演化

1980年照相機

1982年四環繞射儀

2000年面偵測器

2008年雙光源面偵測器

臺灣結晶學發展
在講述完國際結晶學簡要的發展過程後,讓我們也來談一談臺灣在結晶學方面的發展。大家都知道,臺灣在1960年之前,做研究、做實驗是非常艱困,非常辛苦的,因為設備短缺的關係,甚至到1980年之前,也都還是如此;在當時,X光機也不是便宜的設備。

我非常高興找到一些老的資料,這是臺大物理系退休教授鄭伯昆老師的記錄,他有一些早期(1950~1965年)臺大物理系的物理實驗的記實,其中一些X光繞射的實驗記錄,現在看來彌足珍貴。他們有一個X光管(Coolidge X-ray tube),也就是我剛才所說,1900年左右大家瘋狂設計的一些X光的光管。我也很開心得知,當時臺大物理系大三、大四學生,就開始做X光繞射的實驗。後來,在1965年,臺大農化系洪崑煌教授也自行拼湊出一台可以做X光粉末繞射的儀器。

我1979年回到臺灣,當時中山科學院(位於桃園龍潭鄉)有一台四環自動繞射儀,是國內的第一台。國際上出現四環繞射儀是在1969年,我們只晚了10年。我還記得當初需搭1個多小時的巴士到中山科學院去收集數據。

拜臺灣經濟起飛之福,1980年之後,各個學校開始有能力來架設、添購相關的儀器設備。1982年,國科會(現為科技部)成立了貴重儀器中心,臺大因此有了第一台四環自動繞射儀,當時,提供服務給全臺灣的學界,貴儀中心到現在仍存在。當年剛開始的時候,平均一個星期大約只能做一個結構,一年大約是40個結構;現在,設備也比較好,又使用面偵測器,大約可以做到一年1000個結構,同時,全臺灣這種四環自動繞射儀目前大約有1、20台,研究型的大學多半都有這樣的設備。

結晶學小組成立
因此,各個學校慢慢有各種不同領域的人,開始作結晶學相關的研究;到1985年,我們覺得臺灣應該有個結晶學小組,目的在於藉著不定期的聚會,交換個人的研究心得,也幫忙瞭解各個相關領域的國際趨勢與發展脈動。於是我們在國科會化學研究推動中心(現為科技部自然司化學推動中心)之下,設立了結晶學小組。自成立小組以來,國內結晶學界都互相熟識並相互幫忙,交換研究上的最新訊息。同時在國際間,我們也開始做一些接觸。

結晶學包含領域甚廣,在1900年開始,都是物理學家在發展繞射理論,如何去解析結構與一些基礎的理論;而「化學」,則是發揚分子結構之解析,從而去解釋一些化學反應之因果、現象等等;至於「地球科學」,也在早期就有不少地質學家在解釋礦物,依靠礦物的結構與形式將它們分類,現在當然還有更多的研究,比如模仿地心高壓的狀態;當然,現在最大宗的是「生命科學」,也就是從90年代之後,當X光繞射技術可以去解決更複雜的分子,就從此開啟了蛋白質、膜蛋白等結構方面的發展。在臺灣,這四大領域都有相關的研究人員,但各領域不見得都有非常多人,所以,需要有一個群組,大家有機會一起討論。

同步輻射設施
除了物理、化學、地質、生物領域外,其實我們還有一個非常值得驕傲,在短短不到50年的發展時間內,就成功建立的2個同步輻射設施。早在1983年,國內外一些華裔物理學家就覺得,臺灣應該有能力建立同步輻射的設施。

「同步輻射」是在1970年代後期,大家公認為最好的光源;從1900年很簡單的陰極X光管到70年代的同步輻射,國際公認同步輻射乃當時最先進的光源。當時一批知名學者,像是袁家騮、吳健雄、鄧昌黎、丁肇中、李遠哲等院士,便覺得臺灣應該有能力,也有需要建立同步輻射的設施,於是向政府建議。很幸運的,當時臺灣的經濟起飛足以支持這樣的想法;而在1983年7月,政府就核准了1.3 GeV同步輻射設施的興建經費,地點選在新竹科學園區內,與交大、清大校園為鄰。後來又加強到1.5 GeV,而且是穩能型(top up mode)。

1983年的從零開始,憑著前人的熱心、經驗與努力,同步輻射設施從無到有,臺灣慢慢地培養自己在這方面的能力。1993年4月,該設施成功的射出了第一道光,還記得當時大家都興奮得無以言喻。同年10月16日,舉辦了正式慶祝典禮,也藉此向全世界宣布,我們的同步輻射光源(Taiwan Light Source, TLS)已經開始出光了。TLS也從隔年1994年4月開始,提供用戶使用。從1994年到現在,20年了,當初只有3條光束線,直到現在將近有30條的光束線。

因為這個同步輻射能量是1.5 GeV,對硬X光的產生是不太夠的,所以,在1998年,我們開始跟日本商洽,在當時日本建造的全世界能量最高(8 GeV)的SPring-8的設施中,建立一條臺灣的光束線,彌補我們在硬X光供應之不足。計畫相當順利,到了2001年,我們已經可以開始去收集數據了。這個光源確實帶給臺灣學界很大的助益,各個領域的學者都可以使用。當我們跟國外的學者提到我們有一個同步輻射設施的時候,他們都露出非常羨慕的眼光。

TLS設施的光源波段,主要是在軟X光,而X光繞射需要的是硬X光。雖然在日本有一條光束線,但仍嫌不足,因此,開始蘊釀再興建另一個比較高能量的同步輻射,當然,先要做可行性的評估。努力的結果,2007年7月,政府就核准了臺灣光子源(Taiwan Photon Source, TPS)的興建經費,這是第二次做同步輻射的設施,人員比較有經驗了;很快的,在2013年年底,建築物的外觀已完成,這個將會是3.5 GeV 的設施,儲存環比原來的環大很多,希望能夠在2014年的年底之前看到第一道光,我覺得這個希望能成功的機會是很大的。
臺灣第一個同步輻射設施(TLS),於1993年完成。
而最新同步輻射設施TPS,則於2013年完成土木建築。

有了TLS與TPS,我想至少可以滿足國內學界未來10年內的需求。當然,現在世界上還有最新的光源,那就是:自由電子雷射(Free Electron Laser, FEL)光源,目前國際間有多處興建中,已經開始使用的也有2~3個;這方面我們要待TPS建好之後,衡量往後的需求。這些大型設施的興建所費不貲,好在各國的設施都是全面開放的,只要你的計畫構想夠好,多半能申請到光束線去國外使用這些光源。另外,我們在澳洲的原子爐中子設施,建了一條臺灣的中子光束線,從2013年開始,已經可以使用。這些大型設施的提供,對結晶學的工作者確實是一大福音。

國際合作
結晶學不止是一個跨領域的學門,也是跨國界的,因為結晶學一直都有相當多的跨國合作。由於結晶學的解析非常繁複,當年在電腦普及之初,就有不少結晶學家跳入程式設計。因為以前要用手計算,或是利用一些計算尺等工具,非常耗時。在50年代或60年代,就有非常多的結晶學家變成程式設計者,而且程式一旦設計完成,便提供大家免費使用,使得結構解析變得方便又快速。

國際結晶學會(IUCr)早在1948年,就開始了第一屆國際結晶學會的會員大會,從那之後,每三年召開會員大會,今年在加拿大蒙特婁舉辦的是第23 屆。除此國際組織,全世界又有區域組織:美洲結晶學會、歐洲結晶學會和亞洲結晶學會。

亞洲結晶學會成立得最晚,是1987年在澳洲Perth成立(包含了澳洲和紐西蘭)。1992年,首次在新加坡召開了第一屆亞洲結晶學會會員大會;亞洲結晶學會會員大會也是每三年召開一次,臺北則是主辦了2007年的亞洲結晶學會會員大會。

但自2002年在日內瓦召開國際結晶學會時,大家覺得每三年才聚會一次,時間間隔太長。後來決定,一年召開國際結晶學會,一年召開亞洲結晶學會,中間那一年則與區域內組織規模較大的社群,例如:澳洲、日本,結晶學家比較多的國家,配合他們國內年會一起來辦理亞洲結晶學會會議。所以,亞洲地區的國家在3年裡有2個會議,到第三年就一起參加國際結晶學會的會員大會。大家的聯繫都做得很好,臺灣也扮演了很重要的角色,例如主辦2007年的亞洲結晶學會會議。我曾擔任過該學會的執秘、副會長及會長等職,積極鼓勵國內學者儘量參與國際結晶學會與亞洲結晶學會,大概每次都有1、20位以上參加,這在亞洲地區已屬非常難得了。

此外,在提升國際能見度下,經過多年的努力,臺灣也成為國際結晶學會的會員國家之一;我們在1996年於西雅圖召開的國際結晶學會中,成功取得加入國際組織的正式會員國資格;迄今,大約將近有20年了,我們每次也都很忠實的參加國際結晶學會以及亞洲地區的所有活動。

值得一提的是,我們與日本的學術交流特別頻繁,早期藉著日本交流協會及國科會(現為科技部)的支持,我們前後舉辦了10次的臺日雙方交流的結晶學研討會(Joint Seminar in Crystallography)。而後,我們在日本SPring-8建立一條Taiwan Beam Line,顯示我們與日本的合作研究非常密切,這都是源自經常互相交流、切磋的結果。

目前各研究型大學,幾乎都有X光繞射的設施,回頭看50年前的老前輩們,在環境異常艱辛的情況下,已經開始做一些研究,奠定了日後的基礎。今天,我可以很高興的告訴大家,我們雖然起步比別人晚了一些,但是今日臺灣在國際舞台上的表現,以及同步輻射設施的成功,都讓國際結晶學界刮目相看;我們應該在這方面繼續努力,也希望年輕一輩接棒,青出於藍,讓臺灣繼續往國際舞台邁進。

到底什麼是結晶(Crystallization)?
利用各種方法,產出具有一定幾何形狀、內部分子整齊排列晶體的過程。這些晶體可藉由實驗技術取得,其實自然環境中也常見,例如寶石等!

晶體(Crystal)何在?
晶體在日常生活無所不在,我們的牙齒、骨骼,大自然裡冰晶、礦物,甚至是甜滋滋的蜂蜜中,都有晶體的存在!

研究結晶到底有什麼好處?
結晶學(Crystallography),一門研究晶體中原子∕分子排列的科學。科學家利用X 光來觀測、解析晶體的內部結構,得知分子的形狀,並展出許多新的應用。

例如,解開蛋白質的結構,探索生命運轉的機制;還能解密來自外太空的礦物組成,追尋其他星球生命存在的可能。而太陽能板,就是利用矽晶體材質所組成的!

當然,這些美麗的晶體,因為有著渾然天成的形體和顏色,更被人類視為頸上添花的珠寶等飾品,也可作為顏料,甚至啟發藝術靈感,可謂美學與科學的最佳拍檔!

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