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。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(shí)間做了一項有關(guān)高強度鋼結構性能的實(shí)驗。稍有遺憾的是，他們申請的實(shí)驗時(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。經(jīng)過(guò)再次申請實(shí)驗機時(shí)，黃明欣的兩個(gè)博士生又去 CSNS 做了后續實(shí)驗，拿到了完整的數據。

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

　　在此前的實(shí)驗中，他曾向日本散裂中子源申請機時(shí)，設計好實(shí)驗步驟，然后把材料寄到日本。“他們做好實(shí)驗之后，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。

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

　　利用中子散射的軌跡反推物質(zhì)結構

　　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“超級顯微鏡”。

　　散裂中子源則是通過(guò)散裂反應產(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(guān)結構和動(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，大多數會(huì )不受任何阻礙穿過(guò)樣品，但有些中子會(huì )與研究對象的原子核發(fā)生相互作用，其運動(dòng)方向也會(huì )發(fā)生改變，向四周散射。“我們測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(guān)結構和動(dòng)態(tài)。”

　　對于散射的一個(gè)形象比喻是：假如我們面前有一道看不見(jiàn)的墻，我們扔過(guò)去一個(gè)乒乓球，根據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。如果我們扔過(guò)去極多的乒乓球，根據入射角和反射角，我們就知道這面墻的情況。

　　散裂中子源探測氫氧鋰等有天然優(yōu)勢

　　以同步輻射為光源的上海光源也曾被稱(chēng)為“超級顯微鏡”。同步輻射和中子散射盡管都能探究物質(zhì)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(shuō)，同步輻射X射線(xiàn)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(yōu)勢。它與原子核相互作用的散射強度與原子序數無(wú)關(guān)，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(yōu)勢。

　　在能源材料領(lǐng)域，氫動(dòng)力汽車(chē)無(wú)疑比汽油車(chē)更加節能環(huán)保。如何實(shí)現氫的穩定儲存?科學(xué)家希望提高氫的存儲密度便于攜帶。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)。

　　鋰也是原子序數較小的元素，用同步輻射光源難以看到鋰在材料微觀(guān)結構中的位置。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?？蒲腥藛T可以將鋰電池連同模擬充放電過(guò)程的設備放入中子散射譜儀，實(shí)時(shí)地原位測量在幾百次充放電的過(guò)程中，鋰電池各個(gè)部分微觀(guān)結構的變化，構建結構—性能關(guān)系，為改進(jìn)和優(yōu)化鋰電池的設計提供關(guān)鍵數據。

　　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)境條件的設備里。中子穿透能力極強，科研人員能夠開(kāi)展多種環(huán)境條件下的實(shí)驗。

　　助推粵港澳大灣區建設國際科技創(chuàng )新中心

　　“自去年秋天 CSNS 正式運行以來(lái)，我們全面推進(jìn)裝置的開(kāi)放共享，吸引了國內外大量的科研與工業(yè)用戶(hù)開(kāi)展實(shí)驗研究，助推了粵港澳大灣區國際科技創(chuàng )新中心的建設。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)域具有廣泛應用前景。這就為國內外特別是粵港澳大灣區的科技及產(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。這項研究在鋰離子電池正極材料結構特性和形成機理方面取得重要進(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，只能遠赴重洋做實(shí)驗，并且實(shí)驗時(shí)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?，F在他們可以到東莞親自做中子實(shí)驗了。

　　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)始運行以來(lái)，香港注冊用戶(hù)就占了用戶(hù)總數的 10% 左右，在已開(kāi)展的實(shí)驗中，香港用戶(hù)的實(shí)驗占了 14%。

　　今年 2 月 18 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《粵港澳大灣區發(fā)展規劃綱要》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《綱要》)?！毒V要》指出，粵港澳大灣區的經(jīng)濟發(fā)展水平全國領(lǐng)先，產(chǎn)業(yè)體系完備，集群優(yōu)勢明顯，2017 年大灣區經(jīng)濟總量約 10 萬(wàn)億元?！毒V要》提出，要優(yōu)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(yōu)化制造業(yè)布局，提升國家新型工業(yè)化產(chǎn)業(yè)示范基地發(fā)展水平;要加快制造業(yè)結構調整。

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