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散裂中子源:窥探物质结构的“超级显微镜” | 走近大科学工程

日期: 2019-05-11
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从事材料研究的香港大学副教授黄明欣离不开实验。前不久,他和自己的博士生一起到广东东莞中国散裂中子源(CSNS),利用两天时间做了一项有关高强度钢结构性能的实验。稍有遗憾的是,他们申请的实验时间有点不够。好在香港离东莞很近,一个半小时的车程就能到达。经过再次申请实验机时,黄明欣的两个博士生又去CSNS做了后续实验,拿到了完整的数据。

“太方便了,就像在自家门口。”黄明欣告诉科技日报记者,他所研究的高强钢是汽车应用的研究重点。它既需要轻量化,又要提升汽车安全性。黄明欣团队成为CSNS通用粉末衍射仪的首位香港用户,借此,他们获得了高强钢在不同组织结构及不同变形条件下的重要微观参数信息。

在此前的实验中,他曾向日本散裂中子源申请机时,设计好实验步骤,然后把材料寄到日本。“他们做好实验之后,把数据传给我们。”现在,近在咫尺的东莞有了CSNS,这对黄明欣太方便了。

作为国家大科学工程,CSNS的建成,为粤港澳大湾区的科学研究和技术进步搭建了世界一流的平台。

利用中子散射的轨迹反推物质结构

CSNS是由中科院和广东省共同建造的,是继英、美、日之后世界上第4个脉冲散裂中子源装置。它被称为“超级显微镜”。

散裂中子源则是通过散裂反应产生中子,利用中子散射技术开展研究,是探索物质微观结构和动态的有力手段。中子和光一样,具有波粒二象性,既有波的性质,可以反射、折射、衍射;也具有粒子的性质,可以弹射、吸收等。中子由于不带电,不易受到带电质子和电子的阻碍,能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中科院院士陈和生说,中子束打到样品上,大多数会不受任何阻碍穿过样品,但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用,其运动方向也会发生改变,向四周散射。“我们测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化,就可以精确地反推出物质的微观结构和动态。”

对于散射的一个形象比喻是:假如我们面前有一道看不见的墙,我们扔过去一个乒乓球,根据球的入射角和反射角我们可判断球的抛入点是不是平的。如果我们扔过去极多的乒乓球,根据入射角和反射角,我们就知道这面墙的情况。

散裂中子源探测氢氧锂等有天然优势

以同步辐射为光源的上海光源也曾被称为“超级显微镜”。同步辐射和中子散射尽管都能探究物质的内部结构,但二者是有区别的。中科院高能所东莞分部副主任梁天骄说,同步辐射X射线与原子核外的电子相互作用,散射强度正比于原子序数,对含有电子数目较多的原子敏感,但对探测原子数目较少的原子如氢原子等轻元素就比较困难了。在这方面,中子散射则具有优势。它与原子核相互作用的散射强度与原子序数无关,不仅可区分同位素和相邻元素,也可以区分碳、氢、氧等轻元素。因此,研究含有大量氢、氧、氮原子的聚合物与生物大分子,中子散射具有优势。

在能源材料领域,氢动力汽车无疑比汽油车更加节能环保。如何实现氢的稳定储存?科学家希望提高氢的存储密度便于携带。最简单的办法是给氢气加压,但加高压就容易带来安全问题。为此,科学家用一种金属—有机框架材料,把氢气吸进去,等用的时候再把氢气释放出来。利用散裂中子源实验就可以帮助科学家了解氢存贮在材料的什么位置,在什么情况下氢可以很好地释放出来。

锂也是原子序数较小的元素,用同步辐射光源难以看到锂在材料微观结构中的位置。目前,大幅度提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键,而散裂中子源就是研究锂电池的利器。科研人员可以将锂电池连同模拟充放电过程的设备放入中子散射谱仪,实时地原位测量在几百次充放电的过程中,锂电池各个部分微观结构的变化,构建结构—性能关系,为改进和优化锂电池的设计提供关键数据。

梁天骄说,科研中需要研究样品在多种环境条件下的状态,既要研究它在常温常压下的情况,更希望了解它在不同温度、压力、电场、磁场以及原位等条件下的变化,这就需要把样品放到提供环境条件的设备里。中子穿透能力极强,科研人员能够开展多种环境条件下的实验。

助推粤港澳大湾区建设国际科技创新中心

“自去年秋天CSNS正式运行以来,我们全面推进装置的开放共享,吸引了国内外大量的科研与工业用户开展实验研究,助推了粤港澳大湾区国际科技创新中心的建设。CSNS的优异特性,使它在材料学、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景。这就为国内外特别是粤港澳大湾区的科技及产业发展创造了良好条件。”中科院高能物理所东莞分部主任陈延伟说。

中子对轻原子更敏感的特点,使它在锂电池等的研究中大显身手。

CSNS发表的第一篇用户实验研究成果论文就是有关锂电池的,是由北京大学深圳研究生院、CSNS通用粉末衍射谱仪等相关课题组共同完成,发表在《纳米能源》杂志上。这项研究在锂离子电池正极材料结构特性和形成机理方面取得重要进展。

以前香港学者在一些特别需要中子研究手段的科学问题上,只能远赴重洋做实验,并且实验时间常难以保障,或者仅能采用计算机模拟结合一些常规研究手段。现在他们可以到东莞亲自做中子实验了。

中科院高能物理所东莞分部中子科学部副主任张俊荣说,自CSNS开始运行以来,香港注册用户就占了用户总数的10%左右,在已开展的实验中,香港用户的实验占了14%。

今年2月18日,中共中央、国务院印发了《粤港澳大湾区发展规划纲要》(以下简称《纲要》)。《纲要》指出,粤港澳大湾区的经济发展水平全国领先,产业体系完备,集群优势明显,2017年大湾区经济总量约10万亿元。《纲要》提出,要优化粤港澳大湾区能源结构和布局,建设清洁、低碳、安全、高效的能源供给体系;要强化能源储运体系;要优化制造业布局,提升国家新型工业化产业示范基地发展水平;要加快制造业结构调整。

粤港澳大湾区的诸多发展问题要靠科技解决,而面向应用的CSNS正是为此创建了一个极好的研究平台。


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