這臺“超級顯微鏡”不一般 探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要“探針”

坐落于廣東東莞的中國散裂中子源，服務(wù)基礎(chǔ)研究，支撐高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

這臺“超級顯微鏡”不一般

中子雖小，但產(chǎn)生強中子束的散裂中子源卻很龐大，是集合了各種高、精、尖設(shè)備組成的大科學(xué)裝置。

中國散裂中子源(CSNS)坐落于廣東省東莞市松山湖畔。中國散裂中子源隧道內(nèi)裝置建在13米到18米深的地下，主要包括一臺負氫離子直線加速器、一臺快循環(huán)同步加速器、一個靶站、3臺中子譜儀等。2011年9月開工建設(shè)，2018年8月，這一國之重器通過國家驗收，成為世界上第四個脈沖散裂中子源裝置。

“中國散裂中子源90%以上的裝置設(shè)備，由我國自主研發(fā)并實現(xiàn)了國產(chǎn)化。”中國科學(xué)院院士、中國散裂中子源工程總指揮陳和生語氣中帶著自豪。他說，通過建造中國散裂中子源，顯著提升了我國在磁鐵、電源、探測器及電子學(xué)等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平。

探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要“探針”

“散裂中子源就像一臺‘超級顯微鏡’，它是探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的重要手段。”陳和生說。

科學(xué)家介紹，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的性質(zhì)。同樣由碳元素構(gòu)成，金剛石堅硬，石墨潤滑，就緣于它們的不同結(jié)構(gòu)。為看清物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，科學(xué)家設(shè)計了很多方法，利用中子散射探測是其中之一。

中子散射為何能看清微觀世界?原子由原子核和帶負電的電子構(gòu)成，其中原子核又包括帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子。相比其他探測方式，中子能輕松地穿透物質(zhì)。

中子束打到被研究的樣品上，雖然大多數(shù)不會受到任何阻礙，但有些中子會與研究對象的原子核發(fā)生相互作用，從而改變運動方向。通過分析中子散射的軌跡、中子和物質(zhì)發(fā)生作用時能量和動量的變化，科學(xué)家就能反推物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

陳和生打了個比方：我們不斷往一張看不見的網(wǎng)上扔彈珠，有的彈珠穿網(wǎng)而過，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果記錄下這些彈珠的運動軌跡，就能大致推測出網(wǎng)的形狀;如果彈珠扔得夠多、夠密、夠強，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)。

散裂中子源就能發(fā)出“彈珠”。它的原理是，先把質(zhì)子加速到一定的能量，再把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊原子序數(shù)很高的重金屬靶，靶的原子核被撞擊出大量中子。科學(xué)家通過特殊裝置“收集”中子，然后用中子做探針，便可以開展各種實驗了。

中國科學(xué)院高能物理研究所東莞研究部副主任梁天驕介紹，除中子散射外，觀察微觀世界還有同步輻射和電子顯微鏡等方式。其中，中子散射用的是中子，同步輻射借助的是X射線，電子顯微鏡則依靠電子。

“散裂中子源有其他方式無法替代的作用，它與同步輻射光源互為補充。”梁天驕解釋，比如，同步輻射X射線是與原子核外的電子相互作用，對含有電子數(shù)目較多的原子敏感，但探測如氫原子等輕元素就比較困難。而中子散射與原子核相互作用的散射強度，不受原子序數(shù)影響，它不僅能夠區(qū)分同位素和相鄰元素，還可以區(qū)分氫、鋰、碳等輕元素，因此在研究含有氫、鋰等輕元素的能源材料、軟物質(zhì)與生物材料等方面中子散射有優(yōu)勢。

破解新材料、生命科學(xué)、化學(xué)化工等領(lǐng)域難題

1998年6月，德國一列高鐵意外出軌。是車輪、軸承還是鐵軌出了故障?分析事故原因時，科學(xué)家陷入爭論。有人提出，用電子顯微鏡觀察這些部件，但這需要用激光刀把金屬部件切成小于1微米的薄片，幾乎無法操作。

借助中子散射技術(shù)，科學(xué)家找到事故的元兇——失事的車輛車輪內(nèi)部的金屬疲勞。陳和生告訴記者，高鐵的車輪、飛機的渦輪葉片里的應(yīng)力變化看不到、摸不著，但超過一定值，就存在隱患。如今，在散裂中子源上測量研究車輪和葉片的殘余應(yīng)力，可以優(yōu)化機械加工工藝，幫助高鐵和飛機變得更安全、更舒適。

研究大型工程部件殘余應(yīng)力和金屬疲勞，只是中子散射諸多應(yīng)用中的一種。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，中子散射能夠幫助科學(xué)家看清蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu);在可燃冰的開發(fā)利用中，散裂中子源可用來研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩(wěn)定條件，為安全、高效地開采和利用提供科學(xué)依據(jù)。

中子散射能用于文物研究。想了解一尊佛像的制造工藝，但無法把它大卸八塊，怎么辦?利用中子成像技術(shù)，能清晰看到佛像的中間有一根木制“主梁”。這是因為中子散射對輕的元素非常敏感，中間的棍子是木頭做的，也就是碳氫化合物，中子可以輕易地“看到”它。因此可推測出古代工匠在造佛像時，先在中間立一根木梁，然后在木梁周圍纏上支撐架，最終用黏土制成。

“中子散射還是研究鋰電池的利器。”梁天驕告訴記者，將工業(yè)電池連同模擬充放電過程的設(shè)備放入中子散射譜儀，實時原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個部分材料結(jié)構(gòu)、性能的變化，能夠為改進和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

回顧中國散裂中子源的建造歷程，陳和生說：“散裂中子源建起來復(fù)雜，實驗難度大，但國民經(jīng)濟許多關(guān)鍵領(lǐng)域的研究離不開它。20多年前，我們就向國家提出了要建造自己的散裂中子源，這件事困難再大也要做。”

突破關(guān)鍵核心技術(shù)，往往離不開對前沿科學(xué)問題的探索。陳和生認為，在新材料、生命科學(xué)、化學(xué)化工等領(lǐng)域，中國散裂中子源有望助力我國解決“瓶頸”難題。

成為粵港澳大灣區(qū)的創(chuàng)新策源地

科學(xué)家告訴記者，中國散裂中子源投入運行以來，為多學(xué)科交叉前沿研究和高技術(shù)創(chuàng)新提供了先進的平臺，獲得了大批重要成果，成為粵港澳大灣區(qū)科技創(chuàng)新的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。

去年5月，香港大學(xué)教授黃明欣團隊關(guān)于高強度鋼的研究在《科學(xué)》雜志發(fā)表。正是利用中國散裂中子源，該團隊得到了這種高強度鋼獨特性質(zhì)的重要微觀結(jié)構(gòu)信息。

中國散裂中子源建成不久后，陳和生曾預(yù)言，松山湖畔將會成為科技創(chuàng)新的沃土。目前，中國散裂中子源就像一塊磁鐵，正吸引著科研人員慕名而來。

“建起來了，我們還要用好。”中國科學(xué)院高能物理研究所副所長、東莞研究部主任陳延偉介紹，中國散裂中子源正式運行以來，積極推進裝置的開放共享，逐漸成為粵港澳大灣區(qū)的創(chuàng)新策源地。

記者了解到，截至目前，中國散裂中子源已完成四輪運行，注冊用戶超2000人，支撐了400多項研究課題，來自粵港澳大灣區(qū)的約占1/4，其中來自中國香港、中國澳門的用戶大概一共占總用戶的10%。

“今年上半年申請的機時翻了一倍，科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)界對中國散裂中子源的需求很旺盛。”陳延偉告訴記者。

中國散裂中子源是服務(wù)基礎(chǔ)研究的工具，也是發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支撐。談起選址東莞的初衷，陳延偉告訴記者，珠三角地區(qū)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)好，但過去缺少有分量的大科學(xué)裝置，在各方努力下，最終在這里選址。

陳延偉接著說，絕大多數(shù)企業(yè)不可能自己建設(shè)單獨的大科學(xué)裝置，有了中國散裂中子源這個平臺，企業(yè)就能夠做一些前沿的研究，為產(chǎn)業(yè)升級、邁向高端打基礎(chǔ)。

中國散裂中子源仍在成長中。陳延偉說，中國散裂中子源設(shè)計了20個譜儀孔道，目前一期僅建設(shè)了3臺譜儀。同時，散裂中子源的建設(shè)涉及大量高技術(shù)，中國散裂中子源要加強與國內(nèi)外科學(xué)家交流，推動相關(guān)應(yīng)用和研究走向深入，力爭為國家科技發(fā)展做出更大貢獻。(記者 喻思南)

關(guān)鍵詞： 超級顯微鏡 物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)