散裂中子源：窥探物质结构的“超级显微镜”

走近大科学项目

我们的记者李大庆

从事材料研究的香港大学副教授黄明欣(音译)不能离开这个实验。不久前，他和他的博士生到中国广东省东莞市散裂中子源(CSNS)进行了为期两天的高强度钢结构性能实验。不幸的是，他们申请的实验时间有点短。幸运的是，香港离东莞很近，开车一个半小时就能到。再次申请实验机后，黄明欣的两名博士生去CSNS做后续实验，得到了完整的数据。

“真方便。这就像在你自己的房子前。”黄明欣告诉《科技日报》记者，他研究的高强度钢是汽车应用的研究重点。它不仅需要重量轻，还需要提高汽车安全性。黄明信的团队成为CSNS通用粉末衍射仪的第一个香港用户，通过该设备他们获得了不同组织和变形条件下高强度钢的重要微观参数信息。

在以前的实验中，当他从日本的散裂中子源申请一台机器时，他设计了实验程序，然后把材料送到了日本。"他们做完实验后，会把数据传给我们。"现在，东莞附近有CSNS，这对黄明欣非常方便。

作为国家重大科学项目，CSNS的建成为粤港澳及海湾地区的科学研究和技术进步搭建了世界级的平台。

利用中子散射轨迹推断物质结构

中国科学院和广东省共同建造的CSNS是继英国、美国和日本之后世界上第四个脉冲散裂中子源装置。它被称为“超级显微镜”。

散裂中子源通过散裂反应产生中子。利用中子散射技术进行研究是探索物质微观结构和动力学的有力手段。中子和光一样，具有波粒二象性。它们具有波动特性，可以反射、折射和衍射。它还具有粒子的特性，可以被喷射、吸收等。中子不容易被带电荷的质子和电子阻挡，因为它们不带电荷，并且比其他探测方法更容易穿透物质。中国科学院院士陈和生说，当中子束击中样品时，大部分会毫无阻碍地穿过样品，但一些中子会与研究对象的原子核相互作用，它们的运动方向也会发生变化，四处散射。“通过测量中子散射的轨迹及其能量和动量的变化，我们可以精确地推断出物质的微观结构和动力学。”

散射的形象比喻是:如果我们面前有一堵看不见的墙，我们就扔一个乒乓球在面前。根据球的入射角和反射角，我们可以判断球的投掷点是否平坦。如果我们过去扔了太多的乒乓球，我们会根据入射角和反射角知道这堵墙的情况。

散裂中子源在检测氢氧化锂等方面具有天然优势。

上海光源，使用同步辐射作为光源，也被称为“超级显微镜”。虽然同步辐射和中子散射都可以探索物质的内部结构，但它们是不同的。中国科学院高能研究所东莞分院副主任梁天骄说，同步辐射X射线与原子核外的电子相互作用。散射强度与原子数成正比，并且对具有大量电子的原子敏感，但是更难探测到轻元素，例如具有少量原子的氢原子。中子散射在这方面有优势。它与原子核相互作用的散射强度与原子序数无关。它不仅能区分同位素和邻近元素，还能区分轻元素，如碳、氢和氧。因此，中子散射在研究含有大量氢、氧和氮原子的聚合物和生物大分子方面具有优势。

在能源材料领域，氢动力汽车无疑比汽油车更节能、更环保。如何实现氢气的稳定储存？为了便于携带，科学家们希望增加氢气的储存密度。最简单的方法是给氢气加压，但是增加高压很容易带来安全问题。为此，科学家使用一种金属有机框架材料来吸收氢气，并在使用时释放出来。使用散裂中子源实验可以帮助科学家了解氢在材料中的储存位置，以及在什么条件下氢可以被很好地释放。

锂也是一种原子序数很小的元素。用同步辐射光源很难看到锂在材料微观结构中的位置。目前，大力提高锂电池的性能是电动汽车推广的关键，而散裂中子源是研究锂电池的利器。研究人员可以将锂电池与模拟充放电过程的设备一起放入中子散射光谱仪，实时原位测量数百次充放电过程中锂电池各部分的微观结构变化，构建结构-性能关系，为改善和优化锂电池设计提供关键数据。

梁天骄说，科学研究需要研究样品在各种环境条件下的状态，不仅仅是在常温常压下，还有不同的温度、压力、电场、磁场和原位条件下的状态。因此，样品需要放入提供环境条件的设备中。中子穿透能力极强，科研人员可以在各种环境条件下进行实验。

推进粤港澳及海湾地区建设国际科技创新中心

“自去年秋天CSNS正式投入运行以来，我们全面推进了设备的开放和共享，吸引了大量国内外科技和工业用户开展实验研究，推动了粤港澳*地区国际科技创新中心的建设。CSNS的优良特性使其在材料科学、生命科学、物理、化学化工、资源与环境、新能源等领域有着广阔的应用前景。这为国内外特别是粤港澳和海湾地区的科技和工业发展创造了有利条件中国科学院高能物理研究所东莞分院主任陈彦伟说。

中子对轻原子更敏感，这使得它们在锂电池的研究中很有用。

CSNS发表的第一篇关于锂电池的用户实验研究论文，由北京大学深圳研究生院、CSNS通用粉末衍射光谱仪等相关研究团队共同完成，发表在《纳米能源》杂志上。本研究在锂离子电池正极材料的结构特征和形成机理方面取得了重要进展。

过去，香港学者只能远道而来，就需要中子研究方法的科学问题进行实验，实验时间往往难以保证，或者只能用计算机模拟结合一些常规研究方法。现在他们可以在东莞做中子实验了。

中国科学院高能物理研究所东莞分院中子科学部副主任张军荣表示，自CSNS开始运营以来，香港注册用户约占用户总数的10%。在已经进行的实验中，香港用户占14%。

今年2月18日，**、国务院发布了《粤港澳及海湾地区发展规划纲要》(以下简称《纲要》)。《纲要》指出，广东、香港、澳门和海湾地区经济发展水平全国领先，产业体系完整，集群优势明显，2017年经济总量约10万亿元。《纲要》提出优化粤港澳及海湾地区能源结构和布局，建设清洁、低碳、安全、高效的能源供应体系。加强能源储存和运输系统；优化制造业布局，提高国家新型工业示范基地发展水平；加快制造业结构调整。

粤、港、澳、*地区的许多发展问题需要通过科技来解决，而以应用为导向的CSNS为此创造了一个优秀的研究平台。