「看見」是一種力量：中國有了自己的散裂中子源！

知識 09-01

採訪：水白羊果殼網高級編輯

編輯：吳歐

有很多未解之謎，答案或許就在眼前，但想找到那個答案，首先得能「看見」。

舉個例子。「為什麼手機電池用著用著就不耐用了？」這個問題提出來很簡單，答案也就在電池裡，但想真正去探究原因、找到解決方案卻是一件困難重重的事情。

現在常見的鋰離子電池是一個極其複雜的體系，電池性能的衰減涉及電池工作中很多的微觀過程。比如，電池的每一次充放電活動都會對電極材料造成發生納米級的微觀結構破壞，這些損傷漸漸累積，就會造成電極性能的衰減。

目前的常規檢測只能將使用後的電池拆開，再檢測材料的微觀狀態。這就如同看電視劇，只看了開頭和結局，中間的情節全靠猜。但電池裡「上演」的電化學反應過程往往稍縱即逝，暴露在空氣中還會與氧氣和水分發生反應……更何況，實際使用中的電池又與拆開檢測的電池有著很大不同……所有這些，都是探尋真相的阻礙。

這還只是一塊電池。想像一下，如果是電動車裡組裝在一起的幾千塊電池……

假如，有那麼一台「超級顯微鏡」，能實時監測一輛「行駛」中的電動車，在納米級別「親眼看看」充放電過程對電極材料微觀結構的損傷，那對電池技術的發展必然會起到巨大的推動作用……

今天要說的，就是這麼一台「超級顯微鏡」。

本周一28日上午11點，位於廣東省東莞市大朗的中國散裂中子源開動加速器，產生質子束；質子打在鎢靶上，成功產生中子束——中國終於有了自己的散裂中子源！

散裂中子源是什麼？和「超級顯微鏡」有什麼關係？科學人專程邀請中國散裂中子源項目經理陳和生院士，為大家介紹這個「深藏」在幽香荔枝園裡，「火眼金睛」的「高能」大科學裝置。

散裂中子源項目園區。圖片來源：中國散裂中子源項目組

「散裂」「中子源」

中子是組成原子核的粒子之一。除了氫原子核之外，其他元素的原子核都是中子和質子一起組成的。自從1932年英國物理學家查德威克發現中子，對這種質量與質子差不多卻不帶電的粒子的研究就從沒有中斷過。隨著研究的深入，科學家逐漸發現，所有用光及X光產生的經典光學現象都可用中子進行。

中子源，顧名思義，就是一個產生中子的源，就像光源、水源、營養源……

「散裂」中子源，是用質子去「打」鎢、汞等重原子的原子核，讓這些重原子核「裂開」，並向各個方向「發散」出中子的中子源。

「超級顯微鏡」

中子具有磁矩，能與原子磁矩發生電磁相互作用；但是中子不帶電，不存在庫侖勢壘的阻擋（庫侖勢壘是兩個原子核想要碰撞需要克服的靜電能量壁壘），所以有更強的穿透力——幾乎任何能量的中子都可以和任何核素髮生反應。

用散裂中子源「散射」出去的中子「照射」研究對象時，這些中子會與研究對象中的原子核發生相互作用。測量這些中子在相互作用的過程中能量和動量發生的變化，科學家就能在原子、分子尺度上「看見」各種物質的微觀結構和運動規律——「看見」原子和分子在哪裡；「看見」原子和分子在做什麼。這種研究手段就叫中子散射技術。

中子散射技術原理示意圖。質子束打重元素靶產生的中子束與樣品的原子核發生反應，散射在探測器上。通過測量這些散射中子的性質變化，就能得出樣品的微觀結構等。圖片來源：中國散裂中子源項目組

「與X光不同，中子的特點，是通過跟原子核的碰撞來測量原子和分子的性質。所以中子能夠測量的，是原子核的位置。所以中子在探測氫、碳、氧、氮這些輕元素時的性能非常好。這些輕質原子也是構成生命和能源材料的基礎。」陳和生院士說，「另外，中子不帶電，但是有磁矩，所以可以測量材料的磁性。而且中子的穿透能力很強，可以測量很大的工件。」

利用中子散射觀察到的含水大分子（溶解酵素蛋白，左圖）和蛋白質（肌紅蛋白，右圖）的結構。圖片來源：中國散裂中子源項目組

中子的這些特點，使得中子散射技術在高穿透性、對輕元素敏感、分辨同位素、探測磁矩，以及探測物質中核與磁的基本相互作用等方面具備了獨特的優勢，成為人類探索物質微觀結構、和動力學性質的理想探針之一，在眾多學科領域中都有廣泛的應用。

中子散射技術不僅可以探索物質的靜態微觀結構，還能研究物質的動力學機制。同時，憑藉中子的高穿透性，讓科學家具備了在低溫、強磁場、高壓等複雜的「真實工作環境」中「現場」實時測量樣品的能力。

「比如，想研究化學反應中催化劑的工作過程，我當然希望能夠在化學反應的過程當中實時的看這個催化劑怎麼變化。」陳和生院士介紹，「那麼就需要觀測在高溫高壓容器裡頭進行的化學反應。這個條件X光是穿不透的，只有中子散射才能看得見。」

中國自己的散裂中子源

散裂中子源功能雖然很強大，但技術複雜，造價也非常高。原來就只有美國、英國，和日本三個發達國家才有。東莞大朗的中國散裂中子源，是「十二五」期間建設的規模最大的大科學裝置，將成為世界第四台散裂中子源。

單是「從無到有」，就填補了中國散裂中子源技術和應用領域的許多空白，對中國的基礎科學研究、應用基礎科學研究，以及工程技術等諸多領域的研究發展具有不可估量的作用。

「大家都很關心的國產航空發動機，有一個大的問題就是安裝發動機葉片的渦輪盤。」陳和生院士舉例說，「渦輪盤每分鐘幾萬轉，加工中要採用粉末冶金的技術，經過多次退火和機加工，上面的殘餘應力是目前影響發動機壽命和推力等性能的主要障礙。這些殘餘應力，只有用中子散射才能測量得到。但這是整個航空發動機非常核心的工件，不能拿到國外去測。」

支撐科學發展的大平台

散裂中子源能夠支撐的學科眾多，研究領域廣泛。在今後超過30年的時間裡，中國散裂中子源將成為中國多學科前沿研究的中心，和高新技術的開發應用研究基地，為材料科學技術、生命科學、物理、化學化工、資源環境、新能源等諸多領域的研究和工業應用提供先進的研究平台。

在量子和無序材料領域，中國散裂中子源能研究磁性和超導的彈性和非彈性散射相關材料；研究磁性薄膜中磁結構和磁相互作用、磁製冷材料的晶體結構和磁結構、關聯電子體系；研究有機材料的自旋密度分布和波，分子磁體；研究無序物質的原子動力學；研究多組分體系和特殊原子類型的動力學；研究無序、參雜、相變、熱動力學，化學和生物性質……

在材料科學和工程領域，中國散裂中子源能測量工程部件和工程材料的應力應變；研究形變和破壞的機制；優化工程設計、評估的過程；優化能量存儲體系和能量轉換裝置的過程和材料；理解浸潤過程、性質和浸潤表面相互作用之間的關係……

在軟物質和生物科學領域，中國散裂中子源能研究生物大分子的結構和動力學；研究蛋白質晶體學；精確定位高分子體系中的功能性重要質子；研究天然高分子材料、納米材料、生物醫用材料；研究功能性團簇的關聯和自組裝；研究藥品和輸運……

在能源與環境科學領域，中國散裂中子源能研究清潔能源材料（鋰離子電池材料、氫能源材料和燃料電池材料，太陽能電池薄膜等）；研究新能源（包括核能、頁岩氣、可燃冰等）；研究複雜環境，非環境條件下（包括應變）的多晶聚合；研究高溫、高壓下納米多孔性，水合的，名義上無水的礦物合成物中，水分子的動力學；研究流變學；研究高壓下流體和溶膠的物理和化學問題；研究火山爆發和地震學……

可燃冰和儲氫材料、電動環保汽車電池、骨膠、新葯、阿爾茲海默症的治療手段、基因治療的新方法、人類基因圖、DNA和蛋白質的精細結構、巨阻磁性存儲材料、高效的燃油添加劑，甚至新的考古發現，都是中國散裂中子源在未來可預期的研究產出。

提高綜合國力的大平台

作為國內唯一的散裂中子源，中國散裂中子源勢必會吸引全國，甚至全世界的頂尖研究人員前來進行科學實驗和產業化應用。短期內，可以依託大裝置建設重大科技基礎設施聯合實驗室、新型研發機構、國際科技合作平台，引進和培養學科帶頭人、頂尖科技創新團隊和國際領軍人才以及技術研發、產業化、服務人才。長期，依託中國散裂中子源為核心，可以形成基礎研究、技術開發、產業轉化的生態圈，推動企業、高校、科研院所、大企業用戶與平台間的科研交流與合作，源源不斷的培養優秀科技人才，提高中國的綜合創新能力。

中國散裂中子源也不僅僅是未來前沿科技的研發中心。作為尖端技術的大型科學裝置，散裂中子源自身的建造就已經帶動和提升了眾多相關高科技產業的技術進步。在科研、國防、工業、民用等領域都產生了眾多良好的效益。

比如質子加速器技術的進步，將極大促進質子照相和質子腫瘤治療等技術的發展，也為進一步發展質子加速器驅動的新型潔凈能源系統，和長效放射性廢物處理技術奠定了基礎；靶站的建設，有助於高能輻射防護保障體系的經驗和技術積累；中子散射譜儀的建造，引進和發展了世界先進的中子光學技術和探測技術，包括各種形態的中子導管、中子光柵、位置靈敏探測器、新型快電子學，以及海量數據的傳遞和處理……

利用加速器和中子源技術研究硼中子治療癌症的關鍵技術，同時研製造價低、運行維護簡單、易於在人口稠密地區醫院普及使用的硼中子治療設備，都將極大促進硼中子治癌技術的臨床治療試驗研究，以及應用的推廣。

陳和生院士還給我們講了一個與中國散裂中子源相關的，「意外」的故事。

「航天科工集團的一個骨幹企業承擔了我們大量的任務。按照我們的技術要求，他們提升了技術能力，也改革了技術管理和質量管理的能力。有了這些技術和能力，他們不僅為軍工國防組裝了大量的戰略武器，還製造了中國最好的佛像。無錫的靈山大佛、香港的天壇大佛、三亞的南海觀音，這些幾十米高的佛像，幾百片金屬組成，每一片的形狀都要嚴格的控制，組裝在一起還要嚴絲合縫，對技術的要求很高。」

能看見的未來

1998年6月3日，從慕尼黑開往漢堡的德國高鐵在途中脫軌，造成101人死亡，88人受傷，是有史以來全世界傷亡最慘重的一次高鐵事故。事後的調查發現，脫軌的原因，是列車的輪轂在高速行駛的過程中出現金屬疲勞，形成細微裂縫，突然爆裂，最終導致了悲劇。找到事故原因的，是英國的散裂中子源。

散裂中子源和中子散裂技術的出現，讓科學家看見了曾經「混沌」的微觀結構和相互作用。中國散裂中子源的運行，讓中國科學家擺脫了束縛，去探索曾經需要依賴別人的「眼睛」才能看見的未來。

未來的樣子，我們拭目以待。

陳和生院士接受果殼科學人的採訪。