結構生物化學/蛋白質/中子衍射
中子衍射（也稱為中子散射或中子晶體學）是一門實驗科學，研究蛋白質中原子空間排列。雖然中子衍射和 X 射線散射技術使用不同的輻射源，但產生的衍射圖樣使用相同的相干成像技術進行分析。然而，與 X 射線和電子衍射相比，中子衍射作為一種實驗技術的使用仍然是一種相對較新的技術，因為自由中子（輻射源）的積累只能從核反應堆獲得。
雖然中子衍射自 20 世紀初就一直被用作物理學中的實驗技術，但它在化學和生物學中的應用直到 20 世紀 80 年代才開始。1984 年，Wlodawer、Walter、Huber 和 Sjolin 合作將 X 射線晶體學和中子衍射方法結合起來，提出了一種確定蛋白質分子內部動力學的新方法。他們的實驗利用了兩種方法的聯合應用，以確定牛胰蛋白酶抑制劑 (BPTI) 新晶體形式的結構。該專案首次揭示了蛋白質原子的位置，大小在 0.1 奈米以內（即氫原子的直徑），並且是首次詳細分析蛋白質結構如何受分子堆積影響。
1994 年，克利福德·G·舒爾因開發了一種使用中子衍射的新方法而獲得了諾貝爾物理學獎。從那時起，中子衍射煥發了新生，它採用了散射這種新方法，使科學家能夠觀察原子運動和激發的動力學。他發現，當用中子束照射材料時，中子會從原子彈開並撞擊其他原子，從而散射光線，使中子向各個方向散射。這創造了一種通用的模式，我們可以用它來推斷周圍的取代基和原子的位置。
通過了解這些取代基及其位置，我們可以對分子和原子的內在性質有更深入的瞭解。據克利福德說，這些新發現將為“更好的半導體、更好的麥克風、更好的玻璃窗等等”鋪平道路。舒爾在麻省理工學院擔任教授多年。當他在 1994 年獲得諾貝爾獎時，他已經從教學中退休，但繼續進行研究。自從他創新的中子散射技術問世以來，他一直被譽為中子散射之父。
中子衍射從根本上依賴於這樣一個事實，即自由中子表現出波狀衍射行為，這種情況發生在輻射波遇到與波長相當的障礙物（例如蛋白質）時。通常，對於波長與衍射物體尺寸相同的波，衍射效應更明顯。中子衍射是一種彈性散射，這意味著中子的入射能量與散射發生後出射的能量相等。
此外，該方法是研究具有磁性的各種材料的獨特工具，因為中子具有磁矩，可以與磁性原子中的軌道和自旋矩相互作用。
為了研究晶體固體和分子及其結構，將這些中子釋放出來並激發它們，激發的強度模式和形成會給我們有關分子結構的資訊。這些中子在自然界中不存在，至少在很長一段時間內不存在。核反應堆可以釋放這些中子，我們可以研究這些中子的衍射。透過研究它們的波長和量子特性，我們實際上創造了一個樣本，與 X 射線衍射類似。中子衍射類似，並像電子衍射一樣生成結構資訊，但中子束實際上具有很強的親和力與細胞的內部原子核發生反應，而 X 射線則沒有。此外，在研究中子時，我們對質子的定位有更多的瞭解。X 射線大多數情況下會破壞或使正在研究的材料變性，因為它們的 X 射線強度很高，在這種情況下，中子衍射非常有用。
中子的散射效應可以透過兩種不同的現象來解釋。首先，中子和原子核之間存在近距離反應，因為這些中子天生具有這種親和力。這種相互作用是針對每個原子序數的，因為原子核被歸類為點散射體，因此產生各向同性散射。第二種相互作用與磁性和自旋的功能有關。中子的磁矩與分子的自旋和軌道雜化以及排列直接相關。可以透過這種磁性方法研究獲得詳細資料，而在其他形式的晶體學中則沒有這種資料。
鑑於散射模式不會因原子序數相同的原子而異，我們可以用不同的富集同位素來代替它們，從而獲得對分子更全面的研究。由於中子不帶電荷，因此不必擔心它們與原子周圍的電子雲發生強烈的相互作用。這解決了電子衍射的問題。中子只會直接與原子核發生反應。
中子衍射如何幫助研究結晶的晶格結構？非彈性中子散射研究振動熱力學，闡明瞭平衡結構。可以使用能量較低的中子誘導晶格振動，它們還可以被誘導釋放 ponons[檢查拼寫] 或量子。透過這種衍射圖樣，我們可以將晶體每個部分的振動模式聯絡起來，計算色散關係，然後構建其結構的構想。
中子衍射的本質，正如其“之父”克利福德·舒爾所指出的那樣，是確定氫原子以及它們在生物材料或無機物質中如何進行過程。含有氫的結構在我們世界上無處不在，對藥物、資源和其他努力的發展至關重要。利用中子，我們可以利用原子核與質子和中子的關係，而不會受到電子雲的干擾。
中子衍射可用於確定低原子序數分子（如蛋白質）的原子結構，因為低原子序數材料對中子的相互作用具有更高的原子核橫截面積。這種晶體學實驗方法類似於 X 射線衍射；然而，中子被原子核而不是電子散射這一事實意味著衍射效應與原子序數無關。此外，這種衍射方法之所以有效，是因為中子的能量具有 0.1 奈米範圍內的等效波長，因此適用於原子間干涉研究。
使用中子衍射來確定蛋白質結構需要幾個步驟。首先，它需要對蛋白質晶體進行仔細的製備，因為沒有完美的蛋白質晶體，就不可能進行任何晶體學結構研究。蛋白質結晶的目的是生產排列良好的晶體，這些晶體足夠大，可以衍射中子束。因此，結晶過程很長，通常是實驗中限速步驟。在衍生蛋白質晶體可用後，將晶體安裝起來，並拍攝中子衍射影像。
中子衍射在工業領域已被用於探測凝聚態物質的結構和磁性。諸如材料的機械行為等工業利益。工程師必須研究某些分子的應變以瞭解應變對映。當然，所有機械行為都始於結構特徵的微觀尺度。工程師必須考慮殘餘應力，這可以透過中子衍射來研究。當將中子衍射應用於工程工作時，它被稱為工程衍射。
中子衍射對結構中的細微變化非常敏感，因此產生了大量的不同峰，這些峰取決於三個因素。這三個因素是峰位置、峰寬和積分強度。這使工程師能夠訪問樣品的紋理、應變和應變波動。瞭解應變研究的原理基於布拉格定律。
那麼，哪些工程情況需要中子衍射呢？一個實際應用是焊接。當焊縫在強熱期間（金屬合金透過焊道時）熱影響區出現不均勻的膨脹或收縮時，就會出現殘餘應力。殘餘應力可能包括裂紋和形狀變化。這會限制產品質量，甚至腐蝕機械。中子衍射提供應力張量的三維空間分佈。這可用於各種焊接材料。不同的材料必須考慮不同的引數和幾何形狀。簡而言之，工程師依賴於材料的均勻性、剛度和強度，當這些東西失效時，中子衍射等科學方法可以幫助識別問題，並創新新的解決方案，以創造和促進工程材料的進步。因此，中子衍射是所有工業和實踐條款的前提。
