從事材料研究的香港大學副教授黃明欣離不開實驗。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)，利用兩天時間做了一項有關(guān)高強度鋼結(jié)構(gòu)性能的實驗。稍有遺憾的是，他們申請的實驗時間有點不夠。好在香港離東莞很近，一個半小時的車程就能到達。經(jīng)過再次申請實驗機時，黃明欣的兩個博士生又去CSNS做了后續(xù)實驗，拿到了完整的數(shù)據(jù)。
“太方便了，就像在自家門口。”黃明欣告訴科技日報記者，他所研究的高強鋼是汽車應(yīng)用的研究重點。它既需要輕量化，又要提升汽車安全性。黃明欣團隊成為CSNS通用粉末衍射儀的首位香港用戶，借此，他們獲得了高強鋼在不同組織結(jié)構(gòu)及不同變形條件下的重要微觀參數(shù)信息。
在此前的實驗中，他曾向日本散裂中子源申請機時，設(shè)計好實驗步驟，然后把材料寄到日本。“他們做好實驗之后，把數(shù)據(jù)傳給我們。”現(xiàn)在，近在咫尺的東莞有了CSNS，這對黃明欣太方便了。
作為國家大科學工程，CSNS的建成，為粵港澳大灣區(qū)的科學研究和技術(shù)進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(jié)構(gòu)
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個脈沖散裂中子源裝置。它被稱為“超級顯微鏡”。
散裂中子源則是通過散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，利用中子散射技術(shù)開展研究，是探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和動態(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，中子束打到樣品上，大多數(shù)會不受任何阻礙穿過樣品，但有些中子會與研究對象的原子核發(fā)生相互作用，其運動方向也會發(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量的變化，就可以精確地反推出物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和動態(tài)。”
對于散射的一個形象比喻是：假如我們面前有一道看不見的墻，我們?nèi)舆^去一個乒乓球，根據(jù)球的入射角和反射角我們可判斷球的拋入點是不是平的。如果我們?nèi)舆^去極多的乒乓球，根據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，但二者是有區(qū)別的。中科院高能所東莞分部副主任梁天驕說，同步輻射X射線與原子核外的電子相互作用，散射強度正比于原子序數(shù)，對含有電子數(shù)目較多的原子敏感，但對探測原子數(shù)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(shù)無關(guān)，不僅可區(qū)分同位素和相鄰元素，也可以區(qū)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，氫動力汽車無疑比汽油車更加節(jié)能環(huán)保。如何實現(xiàn)氫的穩(wěn)定儲存?科學家希望提高氫的存儲密度便于攜帶。最簡單的辦法是給氫氣加壓，但加高壓就容易帶來安全問題。為此，科學家用一種金屬—有機框架材料，把氫氣吸進去，等用的時候再把氫氣釋放出來。利用散裂中子源實驗就可以幫助科學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。
鋰也是原子序數(shù)較小的元素，用同步輻射光源難以看到鋰在材料微觀結(jié)構(gòu)中的位置。目前，大幅度提高鋰電池的性能是電動汽車推廣的關(guān)鍵，而散裂中子源就是研究鋰電池的利器。科研人員可以將鋰電池連同模擬充放電過程的設(shè)備放入中子散射譜儀，實時地原位測量在幾百次充放電的過程中，鋰電池各個部分微觀結(jié)構(gòu)的變化，構(gòu)建結(jié)構(gòu)—性能關(guān)系，為改進和優(yōu)化鋰電池的設(shè)計提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
梁天驕說，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、磁場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(shè)備里。中子穿透能力極強，科研人員能夠開展多種環(huán)境條件下的實驗。
助推粵港澳大灣區(qū)建設(shè)國際科技創(chuàng)新中心
“自去年秋天CSNS正式運行以來，我們?nèi)嫱七M裝置的開放共享，吸引了國內(nèi)外大量的科研與工業(yè)用戶開展實驗研究，助推了粵港澳大灣區(qū)國際科技創(chuàng)新中心的建設(shè)。CSNS的優(yōu)異特性，使它在材料學、生命科學、物理、化學化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。這就為國內(nèi)外特別是粵港澳大灣區(qū)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。
中子對輕原子更敏感的特點，使它在鋰電池等的研究中大顯身手。
CSNS發(fā)表的第一篇用戶實驗研究成果論文就是有關(guān)鋰電池的，是由北京大學深圳研究生院、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(jié)構(gòu)特性和形成機理方面取得重要進展。
以前香港學者在一些特別需要中子研究手段的科學問題上，只能遠赴重洋做實驗，并且實驗時間常難以保障，或者僅能采用計算機模擬結(jié)合一些常規(guī)研究手段。現(xiàn)在他們可以到東莞親自做中子實驗了。
中科院高能物理所東莞分部中子科學部副主任張俊榮說，自CSNS開始運行以來，香港注冊用戶就占了用戶總數(shù)的10%左右，在已開展的實驗中，香港用戶的實驗占了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(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》(以下簡稱《綱要》)。《綱要》指出，粵港澳大灣區(qū)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(qū)經(jīng)濟總量約10萬億元。《綱要》提出，要優(yōu)化粵港澳大灣區(qū)能源結(jié)構(gòu)和布局，建設(shè)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(jié)構(gòu)調(diào)整。
粵港澳大灣區(qū)的諸多發(fā)展問題要靠科技解決，而面向應(yīng)用的CSNS正是為此創(chuàng)建了一個極好的研究平臺。(本報記者 李大慶)
