1914年，德國科學家Max von Laue因發現晶體如何衍射X射線而摘得諾貝爾物理學獎桂冠，這一發現直接推動了X射線晶體學的出現。從那時以來，研究人員利用衍射推算出了越來越多復雜分子的晶體結構，從簡單礦物到石墨烯等高科技材料，甚至還包括病毒。
隨著技術進步，發現的步伐也在加速：每年數以萬計的新結構留下影像。上世紀90年代，蛋白質晶體圖片的分辨率已經達到能分辨單個原子的臨界閾值。
Von Laue偶然間有了這樣一個想法，當X射線穿過一個晶體時，由于原子的存在，它們將發生散射，然后就像拍打海岸的波浪那樣互相干擾。在某些地方，一些波會加入到另一些波中，而在另一些地方則可能出現相互抵消。這樣一來，衍射圖樣就能被用于計算那些分散原始X射線的原子的位置。1912年，Von Laue及其同事利用硫酸銅樣本證明了這一理論。
回顧晶體學的發展歷程不難看出，X射線技術在其中扮演了重要角色，功能強大的X射線激光器推動著晶體學不斷前進。
直擊物質“心臟”
在美國加利福尼亞州帕洛阿爾托市附近的丘陵中，物理學家為世界上最快速的電子建造了一個“極端超越障礙訓練場”。首先，粒子在一個長達3公里的真空管內加速到接近光速，然后它們將穿過一段磁鐵，并被猛烈扭曲。最終出現強烈X射線暴，使它們足以穿透鋼板。
不過，SLAC的科學家對武器并不感興趣。他們的機器是全世界功率最大的X射線自由電子激光（XFELs）發射器之一，也是研究物質結構的一種工具。結構生物學家尤其能從XFELs中獲益匪淺。SLAC的激光器發射出的X射線脈沖短到足以捕獲分子運動的類似頻閃燈的圖片，并且強烈到足以為生物分子集群成像——這是傳統技術難以完成的。XFELs正賦予生物學家新的方法掃描潛在的藥物標靶、探討光合作用粒子的結構等。
“毫無疑問，XFELs是顛覆性技術。”伊利諾伊州芝加哥大學晶體學家Keith Moffat說，“到目前為止，它遠遠超越了之前的技術，并正在改變人們做事的方式。”Moffat也是XFELs發射器科學顧問委員會成員。
但XFELs也是備受爭議的技術，尤其是SLAC的直線性連續加速器光源（LCLS）更是如此。LCLS是世界上首個也是最大的XFELs發射器。2002年，面對研究人員的頻頻質疑，美國能源部（DOE）牽頭開始建造LCLS。當時許多人質疑：即使假設這個未經證實的技術能夠工作，LCLS未來的科學產出是否值得投入4.14億美元呢？
2009年LCLS開始運行后，爭論逐漸消失，Moffat提到，“它按時按預算工作了，并且更突出、更方便”。日本緊跟其后，建造了自己的XFEL設備，歐洲則計劃了一個功率更大的設備，將于2015年啟動。預計在未來幾年中，全球對XFELs的投入將達數十億美元。但要充分發揮其潛力，這些設備還必須克服更多的技術障礙，從推進功率到更好地處理產生的數據等。
“物理學家、生物學家、激光科學家和高能密度學家—— 一個徹底的新團體正在形成，因為人們必須了解相關工作的所有程序。”瑞典烏普薩拉大學分子生物物理學家Janos Hajdu說，“很多發展必須統合在一起，以便完成這項工作。”
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