懷胎十年的科研利器 台灣光子源光耀台灣

懷胎十年的科研利器 台灣光子源光耀台灣

光,是文明的起始,不同光源依其特性在人類生活中扮演不同角色。同步加速器光源自1946年被意外發現後,因其亮度高、截面積小,且波長涵蓋範圍適中,便成為尖端研究的利器。2014年底,耗費十年興建的台灣光子源成功出光,是目前環型加速器中最亮光源,全程不假他人之手,並有多項技術突破,台灣之光,當之無愧。

文/陳昊安
圖片、資料提供/國家同步輻射研究中心

光,是文明的起始,沒有光,便無法閱讀眼前這本雜誌,看不見周遭的人事物,資訊的獲取和交流將加倍困難,可想而知,光的研究與應用對人類來說是何等重要。2015年,聯合國教科文組織訂定的「國際光之年」,以提高民眾對如何運用光科學、光學和光基技術解決能源、農業等全球性挑戰的認識。

值此盛事之年,台灣竟獲得國際頂尖期刊《科學》(Science)和《自然》(Nature)專文報導,甚至登上歐洲核子研究組織(CERN)發行刊物的封面!究竟是什麼樣厲害的研究發現,可獲得世界頂尖期刊的青睞?

它是名副其實的「台灣之光」──台灣光子源(Taiwan Photon Source,TPS),又稱同步加速器光源。正確的說,它不是一項研究,反而較接近發明,其中牽涉許多複雜的構件和硬梆梆的技術,但總體概念很簡單:愈強、愈集中的光,能看到愈小的東西。

可見細微結構 應用廣泛

光是電磁波家族中的一員,不同光源依其特性在人類生活中扮演不同角色。「同步加速器光源」的波長範圍涵蓋紅外光、可見光、紫外光及X光等,因波長連續、亮度極高、截面積小等特性,尤其波長範圍數十微米至數0.01奈米的光,可透過繞射,幫助人類觀察細胞、病毒及原子等肉眼看不到的世界。

舉例來說,掌控人體眾多功能的蛋白質,其分子和細微結構均會導致功能上的差異,因此了解它的形成過程和形狀對疾病研究有相當大的助益。去(2014)年疾管署宣導推廣的流感吸入劑型藥物瑞樂沙(Renelza),便是澳洲科學家用同步加速器光源,解開了流感病毒表面蛋白的結構,發現其上的蛋白凹槽可與宿主細胞連接,以此為基礎,設計出可以阻塞此凹槽的小分子,阻止流感病毒的複製繁衍。同步加速器光源亦使阿茲海默症的研究獲得進展,在肝病、癌症、愛滋等疾病研究上均扮演重要角色。

科技應用方面,比如液晶的研究。液晶在特定材料上的排列機制一直不明,直到2001年,IBM與史丹佛大學合作,利用同步加速器光源揭開液晶排列的謎底,開啟液晶排列材料的新頁,更大、更高解析度的液晶螢幕得以問世。又好比現在設計得愈來愈精巧的積體電路,台積電也曾找上國家同步輻射研究中心,解開結構上的不明,進一步克服技術困難,避免製程上的錯誤,省下上千萬的投資成本和時間。

除了尖端科學和科技的貢獻外,也有相當有趣的應用,如:尋找巧克力最佳的口感配方、研究羊毛纖維結構並透過物理拉伸方式使其具備絲絨質感,或解析1億9,500萬年前侏儸紀各階段恐龍胚胎化石等,用途相當廣泛。

同步加速器光源

「同步加速器光源」的波長範圍涵蓋紅外光、可見光、紫外光及X光等,因波長連續、亮度極高、截面積小等特性,可幫助人類觀察細胞、病毒及原子等微觀世界。

全程台灣打造 領先國際水準

在TPS建成之前,台灣首座同步加速器光源「台灣光源」(Taiwan Light Source,TLS)已運轉22年,國內外尖端科學研究利用此設施獲致的研究成果質量大幅成長,但此光源的光波段已落後國際,中研院院士陳建德等人便向政府爭取,興建更先進、亮度更高的同步加速器光源。

陳建德將台灣光子源的興建稱為「懷胎10年的夢想」,從2005世界物理年,也是有史以來科普推廣活動最盛大的年度,計畫通過,中間歷經金融海嘯經費短缺、地層軟弱工期延宕等困難,直到2015國際光之年前夕,TPS成功出光,保住7位分項計畫負責人的性命。

在狹小的基地上,緊捱著TLS和辦公大樓,周長518.4公尺的大型甜甜圈「台灣光子源」誕生了!耗資台幣70億元,是國際標準的7成經費,人力更是不到5成,有了先前建造TLS累積的技術和經驗,加上「省錢」這項因素,這次使用的器材幾乎都是MIT(Made in Taiwan) 。陳建德院士高度肯定台灣的加工技術,也表示整個加工鏈很完整,相當有潛力,應多整合開發與技術合作,還是有些廠商願意放下近利,挑戰技術極限。



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