散裂中子源：窥探物质结构的“超级显微镜”

 
散裂中子源：窥探物质结构的“超级显微镜”  
 

走近大科学工程

本报记者 李大庆

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。