美国国家科学基金会今天宣布向亚利桑那州立大学提供90万美元的资金 - 这是该大学历史上最大的NSF研究奖 - 以推进X射线科学的开创性研究。
NSF奖将支持一个为期五年的项目，以建造世界上第一个紧凑型X射线无电子激光器（CXFEL）。这种独一无二的房间大小的X射线激光仪器将满足研究人员在原子长度和超快时间内探索复杂物质复杂性的关键需求。
CXFEL将允许科学家详细观察生物学的分子过程 - 这些过程对于了解人类健康和开发新药和药物非常重要。它还将帮助研究人员推进可再生能源研究、量子技术以及半导体研究和制造。
此外，CXFEL将大大缩小现有大型X射线自由电子激光（XFEL）设施使用的技术规模，使其能够安装在大学，医疗或工业环境中。它的缩小尺寸将使更多的研究机构能够以一小部分成本使用这项技术。
“这项创新将直接使我们的地方，国家和全球社区受益，”亚利桑那州立大学校长Michael M. Crow说。“我们已经进入了一个新的领域，使科学发现更容易获得和更实惠。这是迄今为止最重要的ASU研究项目之一，它将在与世界重大挑战相关的许多关键领域产生积极影响。
除了90万美元的NSF拨款外，该大学还投资约80万美元用于仪器，相关基础设施，设施和支持。克劳说，这170.<>亿美元“将使亚利桑那州立大学进入一个新的科学时代”。
CXFEL将在坦佩校区的ASU生物设计研究所的紧凑型X射线无电子激光实验室建造和安置。由亚利桑那州立大学工程师、科学家和学生组成的多元化团队已经合作了十年，为实现这一创新和有影响力的项目奠定了基础。
“知道我们的团队为使CXFEL成为现实所做的长期努力正在得到回报，这是令人兴奋和充实的，我们感谢NSF的支持和亚利桑那州立大学的前瞻性领导，”该项目的首席科学家兼首席研究员Bill Graves教授说。“我们相信我们将首次完全控制X射线激光特性，产生可以探测自然量子极限的光束。对于致力于解开生物学、化学、物理学和新材料秘密的富有想象力的科学家来说，这将是一个福音。
对人类健康、半导体制造和其他科学领域的影响
突破性发现的潜力是巨大的，因为CXFEL技术的应用跨越了许多研究学科。
例如，在医学领域，CXFEL在分子尺度上制作图像和电影的能力可以揭示SARS-CoV-2等病毒如何攻击细胞或药物如何与靶蛋白结合。这可能为更安全、更有效的药物铺平道路，这些药物可以帮助对抗新出现的和长期存在的疾病。此外，CXFEL可以揭示癌症等疾病的分子原因的动态和结构，或显示癌细胞躲避免疫系统的过程。
“CXFEL的激光X射线功能和可访问性为我们提供了创新研究所需的技术，可以推动科学的成功和有意义的进步，”ASU生物设计研究所执行主任Joshua LaBaer说。“分子和材料科学永远不会一样。
CXFEL强大的成像能力还可以在国内制造成为国家优先事项的时候推进半导体设计，并可能迎来更快，更高效的电子产品。CXFEL将增加亚利桑那州立大学对亚利桑那州作为全球半导体中心快速增长的身份的支持组合。
量子材料 - 量子行为导致新性质的材料 - 尚未得到很好的理解，但对于将技术从磁存储器推进到新的传感和通信平台至关重要。CXFEL可以帮助解码这些奇异材料的物理特性，使它们能够用于一系列行业。这些材料对于量子计算和量子信息科学与技术至关重要。
“将这种变革性创新带入世界是亚利桑那州立大学的设计目标。新的CXFEL工具的重要性及其对科学，人类健康和我们世界面临的许多关键问题的影响是重要的。我们确实在改变世界解决问题的方式，“亚利桑那州立大学知识企业执行副总裁Sally C. Morton说。
让 CXFEL 的强大功能更易于访问
随着技术的进步，世界上许多发明的规模缩小，使更多的人可以使用它们。考虑一下计算机、电视和电话的好处——所有这些现在只需一台设备，即智能手机，即可掌握在手掌中。
同样，今天的XFEL设施规模巨大——公里（1公里=0.6英里）或更长——由于其规模和数十亿美元的成本，全球只有少数几个。ASU设备将非常紧凑，只有10米（30英尺）长，提供超短的X射线，并使先进的X射线科学更容易在大学校园中使用。
由于CXFEL的尺寸只是大型XFEL的一小部分，并且成本相应较小，因此这种基于激光的工具将使更多的科学家能够获得光束时间。该设施将提供给来自广泛科学学科的国家和国际调查人员。
全球首款 CXFEL
CXFEL将使科学家能够确定我们视觉背后的分子过程，光合作用如何将光转化为能量的早期反应以及允许我们呼吸的生化途径。该仪器将建立在名为CXLS的ASU原型仪器的成功基础上，该仪器最近产生了第一批X射线。
当CXFEL完成时，预计将突破当前XFEL科学的界限。其性能的关键将是其可调性，有可能产生脉冲持续时间非常短的X射线束，以达到阿秒状态 - 不到十亿分之一秒的百万分之一。这提供了观察分子存在并在原子水平上相互作用所需的分辨率。它的操作类似于高速相机快门，可以捕捉并似乎阻止蜂鸟的翅膀波动或揭示马如何驰骋（它实际上是跳跃的）。
