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走近大科學工程
【科技日報】散裂中子源:窺探物質結構的“超級顯微鏡”
2019-05-08|文章来源:科技日报 李大庆 |【
 

  從事材料研究的香港大學副教授黃明欣離不開實驗。前不久,他和自己的博士生一起到廣東東莞中國散裂中子源(CSNS),利用兩天時間做了一項有關高強度鋼結構性能的實驗。稍有遺憾的是,他們申請的實驗時間有點不夠。好在香港離東莞很近,一個半小時的車程就能到達。經過再次申請實驗機時,黃明欣的兩個博士生又去CSNS做了後續實驗,拿到了完整的數據。

  “太方便了,就像在自家門口。”黃明欣告訴科技日報記者,他所研究的高強鋼是汽車應用的研究重點。它既需要輕量化,又要提升汽車安全性。黃明欣團隊成爲CSNS通用粉末衍射儀的首位香港用戶,借此,他們獲得了高強鋼在不同組織結構及不同變形條件下的重要微觀參數信息。

  在此前的實驗中,他曾向日本散裂中子源申請機時,設計好實驗步驟,然後把材料寄到日本。“他們做好實驗之後,把數據傳給我們。”現在,近在咫尺的東莞有了CSNS,這對黃明欣太方便了。

  作爲國家大科學工程,CSNS的建成,爲粵港澳大灣區的科學研究和技術進步搭建了世界一流的平台。

  利用中子散射的軌迹反推物質結構

  CSNS是由中科院和廣東省共同建造的,是繼英、美、日之後世界上第4個脈沖散裂中子源裝置。它被稱爲“超級顯微鏡”。

  散裂中子源則是通過散裂反應産生中子,利用中子散射技術開展研究,是探索物質微觀結構和動態的有力手段。中子和光一樣,具有波粒二象性,既有波的性質,可以反射、折射、衍射;也具有粒子的性質,可以彈射、吸收等。中子由于不帶電,不易受到帶電質子和電子的阻礙,能比其他探測方式更爲輕松地穿透物質。中科院院士陳和生說,中子束打到樣品上,大多數會不受任何阻礙穿過樣品,但有些中子會與研究對象的原子核發生相互作用,其運動方向也會發生改變,向四周散射。“我們測量中子散射的軌迹及其能量和動量的變化,就可以精確地反推出物質的微觀結構和動態。”

  對于散射的一個形象比喻是:假如我們面前有一道看不見的牆,我們扔過去一個乒乓球,根據球的入射角和反射角我們可判斷球的抛入點是不是平的。如果我們扔過去極多的乒乓球,根據入射角和反射角,我們就知道這面牆的情況。

  散裂中子源探測氫氧锂等有天然優勢

  以同步輻射爲光源的上海光源也曾被稱爲“超級顯微鏡”。同步輻射和中子散射盡管都能探究物質的內部結構,但二者是有區別的。中科院高能所東莞分部副主任梁天驕說,同步輻射X射線與原子核外的電子相互作用,散射強度正比于原子序數,對含有電子數目較多的原子敏感,但對探測原子數目較少的原子如氫原子等輕元素就比較困難了。在這方面,中子散射則具有優勢。它與原子核相互作用的散射強度與原子序數無關,不僅可區分同位素和相鄰元素,也可以區分碳、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,中子散射具有優勢。

  在能源材料領域,氫動力汽車無疑比汽油車更加節能環保。如何實現氫的穩定儲存?科學家希望提高氫的存儲密度便于攜帶。最簡單的辦法是給氫氣加壓,但加高壓就容易帶來安全問題。爲此,科學家用一種金屬—有機框架材料,把氫氣吸進去,等用的時候再把氫氣釋放出來。利用散裂中子源實驗就可以幫助科學家了解氫存貯在材料的什麽位置,在什麽情況下氫可以很好地釋放出來。

  锂也是原子序數較小的元素,用同步輻射光源難以看到锂在材料微觀結構中的位置。目前,大幅度提高锂電池的性能是電動汽車推廣的關鍵,而散裂中子源就是研究锂電池的利器。科研人員可以將锂電池連同模擬充放電過程的設備放入中子散射譜儀,實時地原位測量在幾百次充放電的過程中,锂電池各個部分微觀結構的變化,構建結構—性能關系,爲改進和優化锂電池的設計提供關鍵數據。

  梁天驕說,科研中需要研究樣品在多種環境條件下的狀態,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、磁場以及原位等條件下的變化,這就需要把樣品放到提供環境條件的設備裏。中子穿透能力極強,科研人員能夠開展多種環境條件下的實驗。

  助推粵港澳大灣區建設國際科技創新中心

  “自去年秋天CSNS正式運行以來,我們全面推進裝置的開放共享,吸引了國內外大量的科研與工業用戶開展實驗研究,助推了粵港澳大灣區國際科技創新中心的建設。CSNS的優異特性,使它在材料學、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域具有廣泛應用前景。這就爲國內外特別是粵港澳大灣區的科技及産業發展創造了良好條件。”中科院高能物理所東莞分部主任陳延偉說。

  中子對輕原子更敏感的特點,使它在锂電池等的研究中大顯身手。

  CSNS發表的第一篇用戶實驗研究成果論文就是有關锂電池的,是由北京大學深圳研究生院、CSNS通用粉末衍射譜儀等相關課題組共同完成,發表在《納米能源》雜志上。這項研究在锂離子電池正極材料結構特性和形成機理方面取得重要進展。

  以前香港學者在一些特別需要中子研究手段的科學問題上,只能遠赴重洋做實驗,並且實驗時間常難以保障,或者僅能采用計算機模擬結合一些常規研究手段。現在他們可以到東莞親自做中子實驗了。

  中科院高能物理所東莞分部中子科學部副主任張俊榮說,自CSNS開始運行以來,香港注冊用戶就占了用戶總數的10%左右,在已開展的實驗中,香港用戶的實驗占了14%。

  今年2月18日,中共中央、國務院印發了《粵港澳大灣區發展規劃綱要》(以下簡稱《綱要》)。《綱要》指出,粵港澳大灣區的經濟發展水平全國領先,産業體系完備,集群優勢明顯,2017年大灣區經濟總量約10萬億元。《綱要》提出,要優化粵港澳大灣區能源結構和布局,建設清潔、低碳、安全、高效的能源供給體系;要強化能源儲運體系;要優化制造業布局,提升國家新型工業化産業示範基地發展水平;要加快制造業結構調整。

  粵港澳大灣區的諸多發展問題要靠科技解決,而面向應用的CSNS正是爲此創建了一個極好的研究平台。

    (原载于《科技日报》2019年5月8日第01版:http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2019-05/08/content_420669.htm?div=-1 )


 
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