结构生物化学/蛋白质/中子衍射
中子衍射（也称为中子散射或中子晶体学）是一门实验科学，研究蛋白质中原子空间排列。虽然中子衍射和 X 射线散射技术使用不同的辐射源，但产生的衍射图样使用相同的相干成像技术进行分析。然而，与 X 射线和电子衍射相比，中子衍射作为一种实验技术的使用仍然是一种相对较新的技术，因为自由中子（辐射源）的积累只能从核反应堆获得。
虽然中子衍射自 20 世纪初就一直被用作物理学中的实验技术，但它在化学和生物学中的应用直到 20 世纪 80 年代才开始。1984 年，Wlodawer、Walter、Huber 和 Sjolin 合作将 X 射线晶体学和中子衍射方法结合起来，提出了一种确定蛋白质分子内部动力学的新方法。他们的实验利用了两种方法的联合应用，以确定牛胰蛋白酶抑制剂 (BPTI) 新晶体形式的结构。该项目首次揭示了蛋白质原子的位置，大小在 0.1 纳米以内（即氢原子的直径），并且是首次详细分析蛋白质结构如何受分子堆积影响。
1994 年，克利福德·G·舒尔因开发了一种使用中子衍射的新方法而获得了诺贝尔物理学奖。从那时起，中子衍射焕发了新生，它采用了散射这种新方法，使科学家能够观察原子运动和激发的动力学。他发现，当用中子束照射材料时，中子会从原子弹开并撞击其他原子，从而散射光线，使中子向各个方向散射。这创造了一种通用的模式，我们可以用它来推断周围的取代基和原子的位置。
通过了解这些取代基及其位置，我们可以对分子和原子的内在性质有更深入的了解。据克利福德说，这些新发现将为“更好的半导体、更好的麦克风、更好的玻璃窗等等”铺平道路。舒尔在麻省理工学院担任教授多年。当他在 1994 年获得诺贝尔奖时，他已经从教学中退休，但继续进行研究。自从他创新的中子散射技术问世以来，他一直被誉为中子散射之父。
中子衍射从根本上依赖于这样一个事实，即自由中子表现出波状衍射行为，这种情况发生在辐射波遇到与波长相当的障碍物（例如蛋白质）时。通常，对于波长与衍射物体尺寸相同的波，衍射效应更明显。中子衍射是一种弹性散射，这意味着中子的入射能量与散射发生后出射的能量相等。
此外，该方法是研究具有磁性的各种材料的独特工具，因为中子具有磁矩，可以与磁性原子中的轨道和自旋矩相互作用。
为了研究晶体固体和分子及其结构，将这些中子释放出来并激发它们，激发的强度模式和形成会给我们有关分子结构的信息。这些中子在自然界中不存在，至少在很长一段时间内不存在。核反应堆可以释放这些中子，我们可以研究这些中子的衍射。通过研究它们的波长和量子特性，我们实际上创造了一个样本，与 X 射线衍射类似。中子衍射类似，并像电子衍射一样生成结构信息，但中子束实际上具有很强的亲和力与细胞的内部原子核发生反应，而 X 射线则没有。此外，在研究中子时，我们对质子的定位有更多的了解。X 射线大多数情况下会破坏或使正在研究的材料变性，因为它们的 X 射线强度很高，在这种情况下，中子衍射非常有用。
中子的散射效应可以通过两种不同的现象来解释。首先，中子和原子核之间存在近距离反应，因为这些中子天生具有这种亲和力。这种相互作用是针对每个原子序数的，因为原子核被归类为点散射体，因此产生各向同性散射。第二种相互作用与磁性和自旋的功能有关。中子的磁矩与分子的自旋和轨道杂化以及排列直接相关。可以通过这种磁性方法研究获得详细数据，而在其他形式的晶体学中则没有这种数据。
鉴于散射模式不会因原子序数相同的原子而异，我们可以用不同的富集同位素来代替它们，从而获得对分子更全面的研究。由于中子不带电荷，因此不必担心它们与原子周围的电子云发生强烈的相互作用。这解决了电子衍射的问题。中子只会直接与原子核发生反应。
中子衍射如何帮助研究结晶的晶格结构？非弹性中子散射研究振动热力学，阐明了平衡结构。可以使用能量较低的中子诱导晶格振动，它们还可以被诱导释放 ponons[检查拼写] 或量子。通过这种衍射图样，我们可以将晶体每个部分的振动模式联系起来，计算色散关系，然后构建其结构的构想。
中子衍射的本质，正如其“之父”克利福德·舒尔所指出的那样，是确定氢原子以及它们在生物材料或无机物质中如何进行过程。含有氢的结构在我们世界上无处不在，对药物、资源和其他努力的发展至关重要。利用中子，我们可以利用原子核与质子和中子的关系，而不会受到电子云的干扰。
中子衍射可用于确定低原子序数分子（如蛋白质）的原子结构，因为低原子序数材料对中子的相互作用具有更高的原子核横截面积。这种晶体学实验方法类似于 X 射线衍射；然而，中子被原子核而不是电子散射这一事实意味着衍射效应与原子序数无关。此外，这种衍射方法之所以有效，是因为中子的能量具有 0.1 纳米范围内的等效波长，因此适用于原子间干涉研究。
使用中子衍射来确定蛋白质结构需要几个步骤。首先，它需要对蛋白质晶体进行仔细的制备，因为没有完美的蛋白质晶体，就不可能进行任何晶体学结构研究。蛋白质结晶的目的是生产排列良好的晶体，这些晶体足够大，可以衍射中子束。因此，结晶过程很长，通常是实验中限速步骤。在衍生蛋白质晶体可用后，将晶体安装起来，并拍摄中子衍射图像。
中子衍射在工业领域已被用于探测凝聚态物质的结构和磁性。诸如材料的机械行为等工业利益。工程师必须研究某些分子的应变以了解应变映射。当然，所有机械行为都始于结构特征的微观尺度。工程师必须考虑残余应力，这可以通过中子衍射来研究。当将中子衍射应用于工程工作时，它被称为工程衍射。
中子衍射对结构中的细微变化非常敏感，因此产生了大量的不同峰，这些峰取决于三个因素。这三个因素是峰位置、峰宽和积分强度。这使工程师能够访问样品的纹理、应变和应变波动。了解应变研究的原理基于布拉格定律。
那么，哪些工程情况需要中子衍射呢？一个实际应用是焊接。当焊缝在强热期间（金属合金通过焊道时）热影响区出现不均匀的膨胀或收缩时，就会出现残余应力。残余应力可能包括裂纹和形状变化。这会限制产品质量，甚至腐蚀机械。中子衍射提供应力张量的三维空间分布。这可用于各种焊接材料。不同的材料必须考虑不同的参数和几何形状。简而言之，工程师依赖于材料的均匀性、刚度和强度，当这些东西失效时，中子衍射等科学方法可以帮助识别问题，并创新新的解决方案，以创造和促进工程材料的进步。因此，中子衍射是所有工业和实践条款的前提。
