散裂中子源：窺探物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“超級(jí)顯微鏡” | 走近大科學(xué)工程

科技日?qǐng)?bào)記者 李大慶

從事材料研究的香港大學(xué)副教授黃明欣離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)。前不久，他和自己的博士生一起到廣東東莞中國(guó)散裂中子源（CSNS），利用兩天時(shí)間做了一項(xiàng)有關(guān)高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)。稍有遺憾的是，他們申請(qǐng)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間有點(diǎn)不夠。好在香港離東莞很近，一個(gè)半小時(shí)的車(chē)程就能到達(dá)。經(jīng)過(guò)再次申請(qǐng)實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)，黃明欣的兩個(gè)博士生又去CSNS做了后續(xù)實(shí)驗(yàn)，拿到了完整的數(shù)據(jù)。

“太方便了，就像在自家門(mén)口。”黃明欣告訴科技日?qǐng)?bào)記者，他所研究的高強(qiáng)鋼是汽車(chē)應(yīng)用的研究重點(diǎn)。它既需要輕量化，又要提升汽車(chē)安全性。黃明欣團(tuán)隊(duì)成為CSNS通用粉末衍射儀的首位香港用戶(hù)，借此，他們獲得了高強(qiáng)鋼在不同組織結(jié)構(gòu)及不同變形條件下的重要微觀參數(shù)信息。

在此前的實(shí)驗(yàn)中，他曾向日本散裂中子源申請(qǐng)機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)步驟，然后把材料寄到日本。“他們做好實(shí)驗(yàn)之后，把數(shù)據(jù)傳給我們。”現(xiàn)在，近在咫尺的東莞有了CSNS，這對(duì)黃明欣太方便了。

作為國(guó)家大科學(xué)工程，CSNS的建成，為粵港澳大灣區(qū)的科學(xué)研究和技術(shù)進(jìn)步搭建了世界一流的平臺(tái)。

利用中子散射的軌跡反推物質(zhì)結(jié)構(gòu)

CSNS是由中科院和廣東省共同建造的，是繼英、美、日之后世界上第4個(gè)脈沖散裂中子源裝置。它被稱(chēng)為“超級(jí)顯微鏡”。

散裂中子源則是通過(guò)散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，利用中子散射技術(shù)開(kāi)展研究，是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)的有力手段。中子和光一樣，具有波粒二象性，既有波的性質(zhì)，可以反射、折射、衍射；也具有粒子的性質(zhì)，可以彈射、吸收等。中子由于不帶電，不易受到帶電質(zhì)子和電子的阻礙，能比其他探測(cè)方式更為輕松地穿透物質(zhì)。中科院院士陳和生說(shuō)，中子束打到樣品上，大多數(shù)會(huì)不受任何阻礙穿過(guò)樣品，但有些中子會(huì)與研究對(duì)象的原子核發(fā)生相互作用，其運(yùn)動(dòng)方向也會(huì)發(fā)生改變，向四周散射。“我們測(cè)量中子散射的軌跡及其能量和動(dòng)量的變化，就可以精確地反推出物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)。”

對(duì)于散射的一個(gè)形象比喻是：假如我們面前有一道看不見(jiàn)的墻，我們?nèi)舆^(guò)去一個(gè)乒乓球，根據(jù)球的入射角和反射角我們可判斷球的拋入點(diǎn)是不是平的。如果我們?nèi)舆^(guò)去極多的乒乓球，根據(jù)入射角和反射角，我們就知道這面墻的情況。

散裂中子源探測(cè)氫氧鋰等有天然優(yōu)勢(shì)

以同步輻射為光源的上海光源也曾被稱(chēng)為“超級(jí)顯微鏡”。同步輻射和中子散射盡管都能探究物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但二者是有區(qū)別的。中科院高能所東莞分部副主任梁天驕說(shuō)，同步輻射X射線與原子核外的電子相互作用，散射強(qiáng)度正比于原子序數(shù)，對(duì)含有電子數(shù)目較多的原子敏感，但對(duì)探測(cè)原子數(shù)目較少的原子如氫原子等輕元素就比較困難了。在這方面，中子散射則具有優(yōu)勢(shì)。它與原子核相互作用的散射強(qiáng)度與原子序數(shù)無(wú)關(guān)，不僅可區(qū)分同位素和相鄰元素，也可以區(qū)分碳、氫、氧等輕元素。因此，研究含有大量氫、氧、氮原子的聚合物與生物大分子，中子散射具有優(yōu)勢(shì)。

在能源材料領(lǐng)域，氫動(dòng)力汽車(chē)無(wú)疑比汽油車(chē)更加節(jié)能環(huán)保。如何實(shí)現(xiàn)氫的穩(wěn)定儲(chǔ)存？科學(xué)家希望提高氫的存儲(chǔ)密度便于攜帶。最簡(jiǎn)單的辦法是給氫氣加壓，但加高壓就容易帶來(lái)安全問(wèn)題。為此，科學(xué)家用一種金屬—有機(jī)框架材料，把氫氣吸進(jìn)去，等用的時(shí)候再把氫氣釋放出來(lái)。利用散裂中子源實(shí)驗(yàn)就可以幫助科學(xué)家了解氫存貯在材料的什么位置，在什么情況下氫可以很好地釋放出來(lái)。

鋰也是原子序數(shù)較小的元素，用同步輻射光源難以看到鋰在材料微觀結(jié)構(gòu)中的位置。目前，大幅度提高鋰電池的性能是電動(dòng)汽車(chē)推廣的關(guān)鍵，而散裂中子源就是研究鋰電池的利器。科研人員可以將鋰電池連同模擬充放電過(guò)程的設(shè)備放入中子散射譜儀，實(shí)時(shí)地原位測(cè)量在幾百次充放電的過(guò)程中，鋰電池各個(gè)部分微觀結(jié)構(gòu)的變化，構(gòu)建結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系，為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

梁天驕說(shuō)，科研中需要研究樣品在多種環(huán)境條件下的狀態(tài)，既要研究它在常溫常壓下的情況，更希望了解它在不同溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及原位等條件下的變化，這就需要把樣品放到提供環(huán)境條件的設(shè)備里。中子穿透能力極強(qiáng)，科研人員能夠開(kāi)展多種環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)。

助推粵港澳大灣區(qū)建設(shè)國(guó)際科技創(chuàng)新中心

“自去年秋天CSNS正式運(yùn)行以來(lái)，我們?nèi)嫱七M(jìn)裝置的開(kāi)放共享，吸引了國(guó)內(nèi)外大量的科研與工業(yè)用戶(hù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，助推了粵港澳大灣區(qū)國(guó)際科技創(chuàng)新中心的建設(shè)。CSNS的優(yōu)異特性，使它在材料學(xué)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。這就為國(guó)內(nèi)外特別是粵港澳大灣區(qū)的科技及產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造了良好條件。”中科院高能物理所東莞分部主任陳延偉說(shuō)。

中子對(duì)輕原子更敏感的特點(diǎn)，使它在鋰電池等的研究中大顯身手。

CSNS發(fā)表的第一篇用戶(hù)實(shí)驗(yàn)研究成果論文就是有關(guān)鋰電池的，是由北京大學(xué)深圳研究生院、CSNS通用粉末衍射譜儀等相關(guān)課題組共同完成，發(fā)表在《納米能源》雜志上。這項(xiàng)研究在鋰離子電池正極材料結(jié)構(gòu)特性和形成機(jī)理方面取得重要進(jìn)展。

以前香港學(xué)者在一些特別需要中子研究手段的科學(xué)問(wèn)題上，只能遠(yuǎn)赴重洋做實(shí)驗(yàn)，并且實(shí)驗(yàn)時(shí)間常難以保障，或者僅能采用計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合一些常規(guī)研究手段。現(xiàn)在他們可以到東莞親自做中子實(shí)驗(yàn)了。

中科院高能物理所東莞分部中子科學(xué)部副主任張俊榮說(shuō)，自CSNS開(kāi)始運(yùn)行以來(lái)，香港注冊(cè)用戶(hù)就占了用戶(hù)總數(shù)的10%左右，在已開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)中，香港用戶(hù)的實(shí)驗(yàn)占了14%。

今年2月18日，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《綱要》）。《綱要》指出，粵港澳大灣區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平全國(guó)領(lǐng)先，產(chǎn)業(yè)體系完備，集群優(yōu)勢(shì)明顯，2017年大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)總量約10萬(wàn)億元。《綱要》提出，要優(yōu)化粵港澳大灣區(qū)能源結(jié)構(gòu)和布局，建設(shè)清潔、低碳、安全、高效的能源供給體系；要強(qiáng)化能源儲(chǔ)運(yùn)體系；要優(yōu)化制造業(yè)布局，提升國(guó)家新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地發(fā)展水平；要加快制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。

粵港澳大灣區(qū)的諸多發(fā)展問(wèn)題要靠科技解決，而面向應(yīng)用的CSNS正是為此創(chuàng)建了一個(gè)極好的研究平臺(tái)。