有很多未解之谜,答案或许就在眼前,但想找到那个答案,首先得能“看见”。
举个例子。“为什么手机电池用着用着就不耐用了?”这个问题提出来很简单,答案也就在电池里,但想真正去探究原因、找到解决方案却是一件困难重重的事情。
现在常见的锂离子电池是一个极其复杂的体系,电池性能的衰减涉及电池工作中很多的微观过程。比如,电池的每一次充放电活动都会对电极材料造成发生纳米级的微观结构破坏,这些损伤渐渐累积,就会造成电极性能的衰减。
目前的常规检测只能将使用后的电池拆开,再检测材料的微观状态。这就如同看电视剧,只看了开头和结局,中间的情节全靠猜。但电池里“上演”的电化学反应过程往往稍纵即逝,暴露在空气中还会与氧气和水分发生反应……更何况,实际使用中的电池又与拆开检测的电池有着很大不同……所有这些,都是探寻真相的阻碍。
这还只是一块电池。想象一下,如果是电动车里组装在一起的几千块电池……
假如,有那么一台“超级显微镜”,能实时监测一辆“行驶”中的电动车,在纳米级别“亲眼看看”充放电过程对电极材料微观结构的损伤,那对电池技术的发展必然会起到巨大的推动作用……
今天要说的,就是这么一台“超级显微镜”。本周一28日上午11点,位于广东省东莞市大朗的中国散裂中子源开动加速器,产生质子束;质子打在钨靶上,成功产生中子束——中国终于有了自己的散裂中子源!
散裂中子源是什么?和“超级显微镜”有什么关系?科学人专程邀请中国散裂中子源项目经理陈和生院士,为大家介绍这个“深藏”在幽香荔枝园里,“火眼金睛”的“高能”大科学装置。
中子是组成原子核的粒子之一。除了氢原子核之外,其他元素的原子核都是中子和质子一起组成的。自从1932年英国物理学家查德威克发现中子,对这种质量与质子差不多却不带电的粒子的研究就从没有中断过。随着研究的深入,科学家逐渐发现,所有用光及X光产生的经典光学现象都可用中子进行。
中子源,顾名思义,就是一个产生中子的源,就像光源、水源、营养源……“散裂”中子源,是用质子去“打”钨、汞等重原子的原子核,让这些重原子核“裂开”,并向各个方向“发散”出中子的中子源。
中子具有磁矩,能与原子磁矩发生电磁相互作用;但是中子不带电,不存在库仑势垒的阻挡,所以有更强的穿透力——几乎任何能量的中子都可以和任何核素发生反应。
用散裂中子源“散射”出去的中子“照射”研究对象时,这些中子会与研究对象中的原子核发生相互作用。测量这些中子在相互作用的过程中能量和动量发生的变化,科学家就能在原子、分子尺度上“看见”各种物质的微观结构和运动规律——“看见”原子和分子在哪里;“看见”原子和分子在做什么。这种研究手段就叫中子散射技术。
中子的这些特点,使得中子散射技术在高穿透性、对轻元素敏感、分辨同位素、探测磁矩,以及探测物质中核与磁的基本相互作用等方面具备了独特的优势,成为人类探索物质微观结构、和动力学性质的理想探针之一,在众多学科领域中都有广泛的应用。
中子散射技术不仅可以探索物质的静态微观结构,还能研究物质的动力学机制。同时,凭借中子的高穿透性,让科学家具备了在低温、强磁场、高压等复杂的“真实工作环境”中“现场”实时测量样品的能力。
中国散裂中子源功能虽然很强大,但技术复杂,造价也非常高。原来就只有美国、英国,和日本三个发达国家才有。东莞大朗的中国散裂中子源,是“十二五”期间建设的规模最大的大科学装置,将成为世界第四台散裂中子源。
单是“从无到有”,就填补了中国散裂中子源技术和应用领域的许多空白,对中国的基础科学研究、应用基础科学研究,以及工程技术等诸多领域的研究发展具有不可估量的作用。
散裂中子源能够支撑的学科众多,研究领域广泛。在今后超过30年的时间里,中国散裂中子源将成为中国多学科前沿研究的中心,和高新技术的开发应用研究基地,为材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。
作为国内唯一的散裂中子源,中国散裂中子源势必会吸引全国,甚至全世界的顶尖研究人员前来进行科学实验和产业化应用。
短期内,可以依托大装置建设重大科技基础设施联合实验室、新型研发机构、国际科技合作平台,引进和培养学科带头人、顶尖科技创新团队和国际领军人才以及技术研发、产业化、服务人才。长期,依托中国散裂中子源为核心,可以形成基础研究、技术开发、产业转化的生态圈,推动企业、高校、科研院所、大企业用户与平台间的科研交流与合作,源源不断的培养优秀科技人才,提高中国的综合创新能力。
中国散裂中子源也不仅仅是未来前沿科技的研发中心。作为尖端技术的大型科学装置,散裂中子源自身的建造就已经带动和提升了众多相关高科技产业的技术进步。在科研、国防、工业、民用等领域都产生了众多良好的效益。
未来的样子,我们拭目以待。