中子自旋回波:研究蛋白质结构域动力学的利器

蛋白质作为生物系统这种复杂分子机器的重要组成部分之一,理解它们内部的结构及其在不同时间及空间尺度上的运动,对于研究生命的运作机理至关重要。相较于其他实验手段,中子自旋回波技术能探测到更大时空范围的性质,在研究蛋白质内部的结构域动力学方面具有独特的优势。这是一门横跨核物理与核技术、非平衡态统计物理学、分子生物学与蛋白质组学等前沿交叉领域的学科,充满着诸多未知与挑战,也遍布着一探生命奥秘的机遇。文章简述了中子自旋回波实验技术的基本原理和发展历程,阐述其在研究蛋白质结构域动力学方面的方法和技术优势,并介绍了部分实验案例,最后对其应用前景进行探讨与展望。

利用自旋回波小角中子散射技术分析胶体系统的结构

该文总结了中子表征技术中自旋回波小角中子散射(SESANS)的基本理论分析方法,并讨论了其在分析胶体系统结构中的应用。通过对实空间的密度涨落关联函数进行Abel变换得到SESANS的空间关联函数。进一步分析了球形粒子不同多分散度对SESANS空间自关联函数的影响,SESANS空间结构关联函数则通过引入热力学自洽的闭合关系求解Ornstein-Zernike方程对分布函数进行计算。将SESANS的理论计算应用于同时具有短程吸引和长程排斥相互作用势的胶体系统,结果显示:与传统小角散射相比,SESANS理论计算结果更加直观地反映了系统随着体积分数增加由分散相进入逾渗相的转变。SESANS作为一种能在实空间对材料进行表征的散射技术,可以有效地揭示胶体系统的结构和相变。

小角中子散射谱仪技术的发展及未来展望

小角中子散射以中子作为探针,通过弹性相干散射,表征物质微观、介观结构,在物理、化学、材料和生物等多个学科领域有着广泛应用。最早的小角中子散射谱仪采用针孔几何进行中子束线准直,测量尺度在1~100纳米;随着中子源通量的增加、中子光学和探测技术的发展,小角中子散射技术逐渐向更大和更小尺度两个方向发展。在更大尺度方向,发展了微小角、超小角和自旋回波中子散射技术;在更小尺度方向,发展了无序大分子中子全散射技术。为了能够一次性表征多尺度复杂体系结构,小角中子散射技术正在向着全尺度覆盖、智能化数据分析的方向发展。本文依循小角中子散射技术和相应的中子谱仪在国内外的发展历程,梳理了不同技术的特点和应用范围,进而展望了这一技术的发展方向,期间穿插概述了相关技术在基础和应用科学研究领域的作用。

中子散射关键技术及前沿应用研究

中子散射技术以其独特的研究优势成为前沿科学研究和新材料、新工艺研发等众多研究领域的有力工具,我国中子科学平台的建设与发展在推动国家科技原始创新方面具有不可替代的作用。中子关键部件研制、新技术新方法开发及重点应用领域关键问题等方面的重点攻关,将有力推动我国中子散射科学平台建设、发展和应用自主化进程。本研究拟开展的具体研究内容主要包括:(1)中子散射光学关键部件;(2)二维高分辨大面积GEM中子探测器;(3)中子自旋回波和全散射技术;和(4)先进工程材料中子无损测试分析。其中,中子光学、探测器等关键部件的成功国产化,将有力推动中子科学平台利用效能的大幅提升,中子自旋回波和全散射技术的成功应用将使我国现有测试方法在研究尺度和测试精度方面实现突破,而中子无损测试分析技术在高温合金、镁合金和不锈钢阀杆内部应力、织构和纳米析出相等方面的成功应用,将有力推动中子无损测试分析技术在我国航空航天、核工业等工程材料领域的推广与应用。

利用中子散射探索生命世界中的物理奥秘

中子散射是利用入射中子与原子核发生碰撞以后中子动量与能量的改变来研究微观世界的一种技术。由于中子对氢原子的散射截面远大于其他元素的独特属性,使得中子散射在研究包含大量氢元素的生物大分子的结构以及动力学特性方面都有卓越的应用。文章对中子散射在生物方面的应用进行了探讨,重点介绍了中子衍射、结合衬度变换技术的小角中子散射、准弹性/非弹性中子散射和中子自旋回波技术,以及它们在研究生物大分子结构、动力学及其功能方面的应用。最后对中子散射未来在生命科学中探索新的物理现象进行了探讨和展望。