臺灣結晶學發展史 - 科學月刊

結晶學（Crystallography），一門研究晶體中原子∕分子排列的科學。

科學家利用X 光來觀測、解析晶體的內部結構，得知分子的形狀，並展出許多新的應用。

網頁 首頁 科學月刊/科技報導新網站 科學月刊粉絲專頁 2014年11月3日 臺灣結晶學發展史 本文從簡述國際上在2014年的結晶學年活動至臺灣在結晶學上的發展，包括60年代至今的儀器演化，乃至同步輻射設施之成立。

作者／王　瑜（任職中央研究院副院長、臺大化學系） 在講到臺灣結晶學發展史之前，我想稍微簡單介紹一下，2014年國際結晶學年的一些國際上的活動。

國際結晶學會為了國際結晶學年，特別架設了網站（www.iycr2014.org），在網頁上有許多的活動，是各國為了配合國際結晶學年而舉辦的。

其中，有個影片名為「歡迎來到結晶的奇妙世界（WelcometotheWonderfulWorldofCrystals）」，在影片裡，使用非常淺顯易懂的文字來說明，什麼是結晶學，結晶學又為人類做了什麼（whatcrystallographycandoforyou），如果有興趣的人，很值得去看一看。

此外，有一些國家，例如：比利時、印度、以色列、波蘭、斯洛法克、瑞士等等，都發行了一些郵票，在這些郵票上的圖案都與結晶學有關。

而澳大利亞以及摩洛哥等，還出了錢幣，其設計也是與國際結晶學年有關。

另外，為了要吸引一般大眾的注意，也舉辦了攝影比賽，照片當然是與結晶學愈相關愈好，有些照片還蠻有趣的，例如，有用餅乾和水果做成的規律排列；還有一部分是設計給小學生及中學生的實驗，讓他們長晶，長出各式各樣非常漂亮的晶體；還有就是針對高中生或大學生所辦的開放式實驗室，尤其是在一些比較落後的國家，他們做了相當多的努力。

國際結晶學發展 自1895年倫琴（Röntgen）發現了X光之後，早期醫生們都很興奮可以用X光來照骨頭、人體或動物；這個應用一直延續到今天，人們到醫院去照X光，已經是很常見的事。

從1895年到1910年代初期，人們幾乎是瘋狂的將X光當成攝影的光源，那個時候還不太懂得去擔心輻射的問題。

一直到1912年，才開始有物理學家用它來照物質，首先是研究礦物或食鹽等簡單物質。

而國際結晶學年，也就是指，人們開始利用X光應用到原子、分子科學，到現在剛好是100年。

從早期到現在，得到諾貝爾獎的物理學家、化學家、生物學家，有非常多人的研究是與X光有關，像拉維（Laue）、布拉格（Bragg）父子，分別在1914及1915年得獎，表揚他們首創對於簡單物質（例如：食鹽、硫化鋅）的結構分析，利用X光來測定原子、分子的細微結構，即可看到次奈米的解析度。

之後漸進式的發展到能解決比較複雜的分子。

X光，一開始是物理學家與地質學家用得多，直到1950~1960年，則是化學家大量使用來解析比較複雜的分子結構，從有機分子到無機分子。

1964年，桃樂絲．賀金思（DorothyHodgkins）得到諾貝爾獎，是解析了維他命B12的結構。

發展到現在，人們可以解析的結構是愈來愈複雜，甚至可以到膜蛋白，這在50、60年代認為根本不可能做到的。

所以，凡事經過不斷的努力還是可以辦得到的。

Ｘ光繞射儀器之演化 結晶學在國際上從1895年到現在，也不過100多年，在這期間，儀器之演化扮演著相當重要的角色。

因為X光只是光源，我們還是需要一些偵測器等來配合，所以，在X光繞射儀器的進展，自1900年X光發現後，就必須努力把X光的光管做好。

至於偵測器，就是所謂的照相機，裡面放了底片然後照相，跟我們今天照人體的X光機差不多，只是照的東西是物質而不是活體，在得到照片之後，再針對照片中數以千計的資料來進行分析。

一直到了1969年才有所謂的「四環自動繞射儀」誕生，那個時候科學家都感到很興奮，因為不再需要用一張一張的底片去照，再一張一張洗出及分析，所得到的數據可以直接輸入電腦進行分析，這是一大邁進；自1970年之後，結構解析的速度增加得非常快，這也拜當時電腦發展之福。

到了90年代，又出現了所謂「面偵測器（areadetector）」，以前是一點一點去收集數據，現在可以一個面、一個面去收集數據，速度當然加快很多，加上電腦的發展神速，在90年代之後，結構解析發展就更快速了。

以前用點偵測器收集數據時，一個結構需要至少3~4天的時間，有了面偵測器後，就可以大幅縮短時間成3~4個小時（如果不太在乎解析度的話）。

也就是說，在90年代之後，要解一個比較複雜的分子，收集數據，是重要的一環，同時靠電腦數據分析的速度也很重要。

因此，90年代後期，蛋白質結構解析也能發展快速，就是因為偵測器、電腦分析方法及程式進展神速的關係。

當然，利用同步輻射強而精準，又能調頻的光源，更是大分子結構發展快速的助力。

臺灣X光繞射儀器之演化 1980年照相機 1982年四環繞射儀 2000年面偵測器 2008年雙光源面偵測器 臺灣結晶學發展 在講述完國際結晶學簡要的發展過程後，讓我們也來談一談臺灣在結晶學方面的發展。

大家都知道，臺灣在1960年之前，做研究、做實驗是非常艱困，非常辛苦的，因為設備短缺的關係，甚至到1980年之前，也都還是如此；在當時，X光機也不是便宜的設備。

我非常高興找到一些老的資料，這是臺大物理系退休教授鄭伯昆老師的記錄，他有一些早期（1950~1965年）臺大物理系的物理實驗的記實，其中一些X光繞射的實驗記錄，現在看來彌足珍貴。

他們有一個X光管（CoolidgeX-raytube），也就是我剛才所說，1900年左右大家瘋狂設計的一些X光的光管。

我也很開心得知，當時臺大物理系大三、大四學生，就開始做X光繞射的實驗。

後來，在1965年，臺大農化系洪崑煌教授也自行拼湊出一台可以做X光粉末繞射的儀器。

我1979年回到臺灣，當時中山科學院（位於桃園龍潭鄉）有一台四環自動繞射儀，是國內的第一台。

國際上出現四環繞射儀是在1969年，我們只晚了10年。

我還記得當初需搭1個多小時的巴士到中山科學院去收集數據。

拜臺灣經濟起飛之福，1980年之後，各個學校開始有能力來架設、添購相關的儀器設備。

1982年，國科會（現為科技部）成立了貴重儀器中心，臺大因此有了第一台四環自動繞射儀，當時，提供服務給全臺灣的學界，貴儀中心到現在仍存在。

當年剛開始的時候，平均一個星期大約只能做一個結構，一年大約是40個結構；現在，設備也比較好，又使用面偵測器，大約可以做到一年1000個結構，同時，全臺灣這種四環自動繞射儀目前大約有1、20台，研究型的大學多半都有這樣的設備。

結晶學小組成立 因此，各個學校慢慢有各種不同領域的人，開始作結晶學相關的研究；到1985年，我們覺得臺灣應該有個結晶學小組，目的在於藉著不定期的聚會，交換個人的研究心得，也幫忙瞭解各個相關領域的國際趨勢與發展脈動。

於是我們在國科會化學研究推動中心（現為科技部自然司化學推動中心）之下，設立了結晶學小組。

自成立小組以來，國內結晶學界都互相熟識並相互幫忙，交換研究上的最新訊息。

同時在國際間，我們也開始做一些接觸。

結晶學包含領域甚廣，在1900年開始，都是物理學家在發展繞射理論，如何去解析結構與一些基礎的理論；而「化學」，則是發揚分子結構之解析，從而去解釋一些化學反應之因果、現象等等；至於「地球科學」，也在早期就有不少地質學家在解釋礦物，依靠礦物的結構與形式將它們分類，現在當然還有更多的研究，比如模仿地心高壓的狀態；當然，現在最大宗的是「生命科學」，也就是從90年代之後，當X光繞射技術可以去解決更複雜的分子，就從此開啟了蛋白質、膜蛋白等結構方面的發展。

在臺灣，這四大領域都有相關的研究人員，但各領域不見得都有非常多人，所以，需要有一個群組，大家有機會一起討論。

同步輻射設施 除了物理、化學、地質、生物領域外，其實我們還有一個非常值得驕傲，在短短不到50年的發展時間內，就成功建立的2個同步輻射設施。

早在1983年，國內外一些華裔物理學家就覺得，臺灣應該有能力建立同步輻射的設施。

「同步輻射」是在1970年代後期，大家公認為最好的光源；從1900年很簡單的陰極X光管到70年代的同步輻射，國際公認同步輻射乃當時最先進的光源。

當時一批知名學者，像是袁家騮、吳健雄、鄧昌黎、丁肇中、李遠哲等院士，便覺得臺灣應該有能力，也有需要建立同步輻射的設施，於是向政府建議。

很幸運的，當時臺灣的經濟起飛足以支持這樣的想法；而在1983年7月，政府就核准了1.3GeV同步輻射設施的興建經費，地點選在新竹科學園區內，與交大、清大校園為鄰。

後來又加強到1.5GeV，而且是穩能型（topupmode）。

1983年的從零開始，憑著前人的熱心、經驗與努力，同步輻射設施從無到有，臺灣慢慢地培養自己在這方面的能力。

1993年4月，該設施成功的射出了第一道光，還記得當時大家都興奮得無以言喻。

同年10月16日，舉辦了正式慶祝典禮，也藉此向全世界宣布，我們的同步輻射光源（TaiwanLightSource,TLS）已經開始出光了。

TLS也從隔年1994年4月開始，提供用戶使用。

從1994年到現在，20年了，當初只有3條光束線，直到現在將近有30條的光束線。

因為這個同步輻射能量是1.5GeV，對硬X光的產生是不太夠的，所以，在1998年，我們開始跟日本商洽，在當時日本建造的全世界能量最高（8GeV）的SPring-8的設施中，建立一條臺灣的光束線，彌補我們在硬X光供應之不足。

計畫相當順利，到了2001年，我們已經可以開始去收集數據了。

這個光源確實帶給臺灣學界很大的助益，各個領域的學者都可以使用。

當我們跟國外的學者提到我們有一個同步輻射設施的時候，他們都露出非常羨慕的眼光。

TLS設施的光源波段，主要是在軟X光，而X光繞射需要的是硬X光。

雖然在日本有一條光束線，但仍嫌不足，因此，開始蘊釀再興建另一個比較高能量的同步輻射，當然，先要做可行性的評估。

努力的結果，2007年7月，政府就核准了臺灣光子源（TaiwanPhotonSource,TPS）的興建經費，這是第二次做同步輻射的設施，人員比較有經驗了；很快的，在2013年年底，建築物的外觀已完成，這個將會是3.5GeV的設施，儲存環比原來的環大很多，希望能夠在2014年的年底之前看到第一道光，我覺得這個希望能成功的機會是很大的。

臺灣第一個同步輻射設施（TLS），於1993年完成。

而最新同步輻射設施TPS，則於2013年完成土木建築。

有了TLS與TPS，我想至少可以滿足國內學界未來10年內的需求。

當然，現在世界上還有最新的光源，那就是：自由電子雷射（FreeElectronLaser,FEL）光源，目前國際間有多處興建中，已經開始使用的也有2~3個；這方面我們要待TPS建好之後，衡量往後的需求。

這些大型設施的興建所費不貲，好在各國的設施都是全面開放的，只要你的計畫構想夠好，多半能申請到光束線去國外使用這些光源。

另外，我們在澳洲的原子爐中子設施，建了一條臺灣的中子光束線，從2013年開始，已經可以使用。

這些大型設施的提供，對結晶學的工作者確實是一大福音。

國際合作 結晶學不止是一個跨領域的學門，也是跨國界的，因為結晶學一直都有相當多的跨國合作。

由於結晶學的解析非常繁複，當年在電腦普及之初，就有不少結晶學家跳入程式設計。

因為以前要用手計算，或是利用一些計算尺等工具，非常耗時。

在50年代或60年代，就有非常多的結晶學家變成程式設計者，而且程式一旦設計完成，便提供大家免費使用，使得結構解析變得方便又快速。

國際結晶學會（IUCr）早在1948年，就開始了第一屆國際結晶學會的會員大會，從那之後，每三年召開會員大會，今年在加拿大蒙特婁舉辦的是第23屆。

除此國際組織，全世界又有區域組織：美洲結晶學會、歐洲結晶學會和亞洲結晶學會。

亞洲結晶學會成立得最晚，是1987年在澳洲Perth成立（包含了澳洲和紐西蘭）。

1992年，首次在新加坡召開了第一屆亞洲結晶學會會員大會；亞洲結晶學會會員大會也是每三年召開一次，臺北則是主辦了2007年的亞洲結晶學會會員大會。

但自2002年在日內瓦召開國際結晶學會時，大家覺得每三年才聚會一次，時間間隔太長。

後來決定，一年召開國際結晶學會，一年召開亞洲結晶學會，中間那一年則與區域內組織規模較大的社群，例如：澳洲、日本，結晶學家比較多的國家，配合他們國內年會一起來辦理亞洲結晶學會會議。

所以，亞洲地區的國家在3年裡有2個會議，到第三年就一起參加國際結晶學會的會員大會。

大家的聯繫都做得很好，臺灣也扮演了很重要的角色，例如主辦2007年的亞洲結晶學會會議。

我曾擔任過該學會的執秘、副會長及會長等職，積極鼓勵國內學者儘量參與國際結晶學會與亞洲結晶學會，大概每次都有1、20位以上參加，這在亞洲地區已屬非常難得了。

此外，在提升國際能見度下，經過多年的努力，臺灣也成為國際結晶學會的會員國家之一；我們在1996年於西雅圖召開的國際結晶學會中，成功取得加入國際組織的正式會員國資格；迄今，大約將近有20年了，我們每次也都很忠實的參加國際結晶學會以及亞洲地區的所有活動。

值得一提的是，我們與日本的學術交流特別頻繁，早期藉著日本交流協會及國科會（現為科技部）的支持，我們前後舉辦了10次的臺日雙方交流的結晶學研討會（JointSeminarinCrystallography）。

而後，我們在日本SPring-8建立一條TaiwanBeamLine，顯示我們與日本的合作研究非常密切，這都是源自經常互相交流、切磋的結果。

目前各研究型大學，幾乎都有X光繞射的設施，回頭看50年前的老前輩們，在環境異常艱辛的情況下，已經開始做一些研究，奠定了日後的基礎。

今天，我可以很高興的告訴大家，我們雖然起步比別人晚了一些，但是今日臺灣在國際舞台上的表現，以及同步輻射設施的成功，都讓國際結晶學界刮目相看；我們應該在這方面繼續努力，也希望年輕一輩接棒，青出於藍，讓臺灣繼續往國際舞台邁進。

到底什麼是結晶（Crystallization）？ 利用各種方法，產出具有一定幾何形狀、內部分子整齊排列晶體的過程。

這些晶體可藉由實驗技術取得，其實自然環境中也常見，例如寶石等！ 晶體（Crystal）何在？ 晶體在日常生活無所不在，我們的牙齒、骨骼，大自然裡冰晶、礦物，甚至是甜滋滋的蜂蜜中，都有晶體的存在！ 研究結晶到底有什麼好處？ 結晶學（Crystallography），一門研究晶體中原子∕分子排列的科學。

科學家利用X光來觀測、解析晶體的內部結構，得知分子的形狀，並展出許多新的應用。

例如，解開蛋白質的結構，探索生命運轉的機制；還能解密來自外太空的礦物組成，追尋其他星球生命存在的可能。

而太陽能板，就是利用矽晶體材質所組成的！ 當然，這些美麗的晶體，因為有著渾然天成的形體和顏色，更被人類視為頸上添花的珠寶等飾品，也可作為顏料，甚至啟發藝術靈感，可謂美學與科學的最佳拍檔！ 於 14:54 張貼者 科學月刊／科技報導 分類： 07-化學, 11月號(539期)-結晶學百年解密 較新的文章 較舊的文章 首頁 593期內頁試閱！ 站內搜尋 科月檔案櫃 科月檔案櫃 六月2019(1) 五月2019(1) 四月2019(23) 三月2019(22) 二月2019(25) 一月2019(23) 十二月2018(27) 十一月2018(24) 十月2018(24) 九月2018(22) 八月2018(24) 七月2018(25) 六月2018(23) 五月2018(22) 四月2018(26) 三月2018(18) 二月2018(21) 一月2018(25) 十二月2017(23) 十一月2017(25) 十月2017(21) 九月2017(23) 八月2017(24) 七月2017(26) 六月2017(41) 五月2017(1) 四月2017(24) 三月2017(24) 二月2017(24) 一月2017(28) 十二月2016(12) 十一月2016(23) 十月2016(30) 九月2016(21) 八月2016(38) 七月2016(27) 六月2016(2) 五月2016(39) 四月2016(16) 三月2016(21) 二月2016(25) 一月2016(22) 十二月2015(22) 十一月2015(19) 十月2015(19) 九月2015(24) 八月2015(18) 七月2015(22) 六月2015(3) 五月2015(37) 四月2015(20) 三月2015(22) 二月2015(22) 一月2015(8) 十二月2014(37) 十一月2014(19) 十月2014(1) 九月2014(27) 八月2014(16) 七月2014(17) 六月2014(20) 五月2014(19) 四月2014(17) 三月2014(37) 二月2014(1) 一月2014(32) 十二月2013(16) 十一月2013(21) 十月2013(21) 九月2013(20) 八月2013(20) 七月2013(19) 六月2013(19) 五月2013(19) 四月2013(19) 三月2013(14) 二月2013(1) 一月2013(1) 十二月2012(2) 十一月2012(2) 十月2012(2) 九月2012(1) 八月2012(5) 六月2012(2) 五月2012(1) 四月2012(1) 三月2012(1) 二月2012(1) 十二月2011(19) 九月2011(2) 八月2011(7) 七月2011(8) 六月2011(1) 五月2011(13) 四月2011(25) 三月2011(2) 二月2011(2) 一月2011(9) 十二月2010(19) 十一月2010(21) 十月2010(27) 九月2010(21) 八月2010(19) 七月2010(23) 六月2010(20) 五月2010(30) 四月2010(17) 三月2010(24) 二月2010(20) 一月2010(14) 十二月2009(18) 十一月2009(24) 十月2009(15) 九月2009(27) 八月2009(27) 七月2009(24) 六月2009(23) 五月2009(24) 四月2009(15) 三月2009(18) 二月2009(23) 一月2009(21) 十二月2008(17) 十一月2008(2) 十月2008(1) 九月2008(2) 八月2008(1) 七月2008(1) 六月2008(3) 十二月2002(1) 十二月2000(1) 一月1977(1) 文章分類 00-專輯目錄 01-科學評論 02-科學新聞 03-編輯手記 04-數學 05-物理 06-生物 07-化學 08-地科 09-光譜 10-生化 11-科教 12-科技 13-科學史 14-專訪 15-書評 16-閱讀推薦 17-活動 18-大家談 19-勘誤 20-其它 21-非‧關科學 22-回顧 2019專輯 01月號(589期)-啟動心智秘境 02月號(590)-豬的時代 03月號(591期)-臺灣古生物 04月號(592期)-高樓．映像 05月號(593期)-伴．毛小孩 2018專輯 01月號(577期)-氣象預報 02月號(578)-重力波 03月號(579期)-生物辨識 04月號(580期)-AI人工智慧時代來臨 05月號(581)-看見聲音的景色 06月號(582期)-滋容養顏兩三事 07月號(583期)-藥品包裝 08月號(584期)-食蟲 09月號(585期)-大麻 10月號(586期)-科幻 11月號(587期)-啤酒生活 12月號(588期)-諾貝爾獎特別報導 2017專輯 01月號(565期)-薄膜分離技術 02月號(566)-錄音工程 03月號(567期)-電影技術 04月號(568)-描繪世界的方法 05月號(569)-不只是科學少數女性關鍵力 06月號(570期)-南海科學 07月號（571期）-資料科學 08月號(572期)-蝦 09月號(573期)-藻礁 10月號(574期)-音樂心理 11月號(575期)-區塊鍊與比特幣 12月號(576期)-諾貝爾獎特別報導 2016專輯 01月號(553期)-幾丁質大革命 02月號(554期)-綠色溶劑 03月號(555期)-實驗動物 04月號(556期)-氣象觀測 05月號(557期)-福衛五號上陣 06月號(558期)-生物大數據 07月號(559期)-直擊大腦的神祕宇宙！ 08月號(560期)-新世代女科青 09月號(561期-)基因開關 10月號(562期)-地震新情報 11月號(563期)-真實生物X寶可夢 12月號(564期)-諾貝爾獎特別報導 2015專輯 01月號(541期)-法布爾的昆蟲世界 02月號(542期)-森林新思維 03月號(543期)-影像世界中的巧妙數學 04月號(544期)-濕地大探索 05月號(545期)-光科學年代 06月號(546期)-全球暖化海洋遇難 07月號(547期)-重返土壤 08月號(548期)-廣義相對論百年 09月號(549期)-癌症免疫療法 10月號(550期)-莫斯利與原子序 11月號(551期)-布爾代數 12月號(552期)-諾貝爾獎特別報導 2014專輯 01月號(529期)-再生醫學 02月號(530期)-汽車科技 03月號(531期)-臺灣的科學傳播:現在和未來 04月號(532期)-產能與節能的新觀念 05月號(533期)-科學、數學，動手玩 06月號(534期)-物聯網 07月號(535期)-鑑識科學 08月號(536期)-微機電系統的應用 09月號(537期)-張昭鼎紀念研討會:網路與科普 10月號(538期)-意猶未盡的急速:4G 11月號(539期)-結晶學百年解密 12月號(540期)-諾貝爾獎特別報導 facebook 追蹤者 本站流量 網站啟事 於版權問題如有任何疑慮，請洽編輯部。

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