中子如何直搗黃龍透視材料與生命？
磁鐵為什麼有磁性？蛋白質如何運作？要回答這些問題，我們必須深入物質內部進行探索，然而這一過程會受到原子外圍的電子阻礙，因此我們需要一套直搗材料核心的利器—「中子光譜」，由於中子不帶電，能直搗材料的黃龍，也就是原子核，探索微觀世界中的原子運行法則。藉由中子光譜技術的發展，我們能知道材料中的磁性如何傳遞，也能知道蛋白質如何與其他物質產生交互作用，讓我們一起來認識「中子光譜」這項強而有力的量測技術吧！
撰文｜黃鼎鈞
你知道如何設計更強的磁鐵，或是如何讓蛋白質藥物發揮最佳效果嗎？這些問題的答案藏在物質的「內部世界」，而我們無法像漫威蟻人一樣，縮小自己進入微觀世界進行探索，但這不代表我們無法知道材料內部正在發生什麼事，我們可以透過「中子光譜」來透視原子與分子內部的世界。中子光譜能分析原子如何震動、電子如何運動，甚至追蹤生物分子在體內的行為，從更耐用的電池、更強的磁性材料，到生物醫學的突破，「中子光譜」正在帶領我們透視這背後的原理。但到底什麼是中子？為什麼它能看見我們肉眼無法察覺的細節？讓我們來看看「中子」如何幫助我們理解這個世界的最基本運作原理。
中子的發現及其特性
1932年，英國物理學家詹姆斯．查德威克 (James Chadwick) 證實了中子的存在，開啟了核物理學的研究，直到20世紀中葉，科學家開始利用中子進行材料分析，並發展出各種中子散射技術。1994年，貝爾特倫．布羅克豪斯 (Bertram N. Brockhouse) 與克里福德．沙爾 (Clifford Shull) 以在中子光譜與繞射技術上的貢獻獲得諾貝爾物理學獎。
中子是一種不帶電的基本粒子，而正是這樣的特性使其成為研究材料的理想工具。當中子進入物質之中時，它不像X-ray或電子束會與材料中的電子雲發生強烈的交互作用，因此中子能不受阻礙的深入物質內部，尤其對輕元素特別敏感，像是氫、鋰等，因為這類元素的電子數少，透過與電子交互作用的X-ray或電子束難以與其產生反應，而中子能直接與其原子核作用，因此，中子光譜適合被應用在研究生物分子、電池材料、聚合物等含有大量氫的材料。也正是中子可被用來觀測原子核，中子還能被用來作為同位素的區分，像是中子對於氘和氫有不同的散射能力，這使得科學家可以利用這種特性來標記特定的原子，從而獲得更精確的結構信息，除此之外，在室溫下，中子的能量範圍約為 0.025 eV，這與材料內部原子的振動能量範圍相當，故中子還可以幫助我們了解材料的晶格結構及其行為。
中子光譜如何解析物質、透視生命？
當中子束與材料互動時，可能發生三種情形，第一是透射 (Transmission)，也就是中子直接穿過樣品，其中子束的方向不改變；第二是吸收 (Absorption)，中子被材料吸收，轉換成其他形式的能量；第三則是散射 (Scattering)，中子與樣品中的原子發生碰撞，改變方向與能量，而正是這一個散射過程造成對中子的改變，使我們能探測材料內部的機制。就散射的過程而言，又能分為彈性散射 (Elastic Scattering) 和非彈性散射 (Inelastic Scattering)，在彈性散射中，中子散射後的能量不變，適用於研究晶體結構，而非彈性散射中，中子與材料交換能量，能夠測量原子的運動與激發態。
早在1930年，物理學家菲利克斯．布洛赫 (Felix Bloch) 就以理論預測「磁子」的存在，也就是說鐵磁材料之所以具有磁性，是因為電子自旋的集體波動所造成的，因此，磁子可以說是一種量子化的自旋波，然而，這個理論一直難以被證實。直到1957年伯特倫．布羅克豪斯 (Bertram N. Brockhouse) 才以非彈性中子散射直接觀察到了磁子的存在，因為中子本身帶有自旋磁矩 (spin magnetic moment) 卻不帶電荷，這使得中子在穿透材料的過程中不會受到電子雲的干擾，而是直接與原子核和未成對的電子自旋發生相互作用，這一個觀察使科學家開始理解磁性是如何在材料中傳遞的，也開始理解磁鐵之所以有磁性的物理機制，也就是說，岳飛可以直搗黃龍，中子可以直搗原子核！
不只有在凝態物理上的探測，中子也能被應用在生物醫學之中。誠如前段所述，中子對於氫原子等輕元素格外的敏感，而蛋白質正是構成生物體的主要物質之一，蛋白質主要由輕元素（如氫、碳、氧、氮）組成，且水 (H2O) 環境對其影響極大，同時蛋白質的結構、穩定性與功能，很大的程度取決於氫鍵 (Hydrogen Bonding) 與蛋白質和水的交互作用，透過中子光譜的探測，科學家能進一步了解蛋白質藥物的設計，像是探討藥物與標靶蛋白的結合，以致於科學家能最佳化藥物，或是探討蛋白質與水的交互作用，進一步控制藥物的溶解度與吸收，這類的研究能推動新型抗體藥物、生物相容性藥物與個人化醫療的發展。
中子光譜技術讓我們得以觀察材料內部的能量傳遞與運動機制，進而開發更具功能性的科技應用。
參考文獻
- Bloch, F. (1930). Zur theorie des ferromagnetismus. Zeitschrift für Physik, 61(3), 206-219.
- Brockhouse, B. N. (1964). Nobel Lecture, December 8, 1994. Physics: 1991-1995, 7, 107.
- Wu, C. M., Deng, G., Gardner, J. S., Vorderwisch, P., Li, W. H., Yano, S., ... & Imamovic, E. (2016). SIKA—the multiplexing cold-neutron triple-axis spectrometer at ANSTO. Journal of Instrumentation, 11(10), P10009.