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物理專文 高通量寬能帶的同步輻射小角度 X 光 散射在奈米結構研究上之應用 文/鄭有舜、韋光華 我們介紹近幾年來急速發展的同步輻射小角度X 光散射(small-angle X-ray scattering)在材料科學及軟物質科學上的奈米結構解析應用。我們亦介 紹國家同步輻射研究中心近年來在小角度X光散射光束線與相關儀器的發 展成果與動態。 小角度 X 光散射 (small-angle X-ray scattering, 及波長 λ定義。根據這個定義，即使缺乏晶體結構的 SAXS) 是一種可提供高穿透力與有分子級解析度的 物質，我們仍可藉由 SAXS 的方式來取得物質內局部 結構研究方法。能以非破壞性的方式研究物質的表 平均電子密度變化的特徵，從而理解物質的結構和其 面、介面、與內部結構的 SAXS ，為SEM 、TEM 、和 功能特性的關係。此特質使得 SAXS 在軟物質的奈米 AFM 等影像術的重要互補工具之一。此方法，因可探 結構研究上特別適用[1,2] 。 測物質內奈米級的電子密度結構特徵，而廣泛且經常 近十幾年來，因 X光 光源的開發與相關的儀器 的被使用在奈米結構佔有決定性因子的材料結構、水 迅速發展，而大幅的增加了SAXS的應用。在先進的 溶液中生物分子構型(envelope morphology) 、及奈米粒 同步加速器輻射設施中，擁有一座以上的SAXS 實驗 子等眾多領域的奈米結構研究中。 站，目前已相當普遍。由於有寬的可調光子能量範圍 以分子級的解析度， SAXS 探測物質內奈米 與光子通量，很多先進的同步輻射 SAXS光束線的設 (nanometer)到次微米尺度內的電子密度變化。在奈米 計，已能針對特有的研究領域而發展出各有特色的小 精度的解析度下，我們可方便的以連續的電子密度分 角度X 光散射實驗站。例如，日本 SPring-8 RIKEN 佈函數ρ(r)來代表物質的結構特性(忽略各原子間的相 beamline BL45XU的小角度X光散射實驗站、德國同步 關位置) 。而 SAXS 的散射特徵主要分佈於直射光附 輻射中心的DESY-X33光束線及美國史丹佛大學的同 近，因而稱之為小角度 X 光散射，而其散射的強度分 步輻射(SSRL) BL4-2 生物結構研究實驗站等實驗設 −iQ•r 3 2 備皆針對蛋白質的溶液研究而設計；而在美國Brook 佈可表為I (Q) = ∫ρ (r)e d r 。在此，散射向量 Heaven 國家實驗室的同步輻射光源，其X27C光束線 (wavevector transfer) Q = 4πsin(θ)/λ 是藉由散射角 θ 則主要提供作高分子研究用。另外，在歐洲聯盟同步 鄭有舜 輻射設施 (ESRF) 的ID02 和義大利同步輻射中心 美國羅德島大學物理系博士 Elettra 的小角度X光散射光束線等，皆可提供多用途 現任職國家同步輻射研究中心副研究員 的SAXS應用研究，如同步小角度及廣角度的X光散射 E-mail: usjeng@.tw .tw/www/eng/endstation/17b3/saxs/ 儀器，並能提供研究時間解析度達毫米等級的臨場 韋光華 (in-situ)動態結構研究[3] 。 現任職交通大學材料系教授 E-mail: khwei@.tw