“看见”是一种力量：中国有了自己的散裂中子源！

采访：水白羊 果壳网高级编辑

编辑：吴欧

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”。

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。

散裂中子源项目园区。图片来源：中国散裂中子源项目组

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（库仑势垒是两个原子核想要碰撞需要克服的静电能量壁垒），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。

中子散射技术原理示意图。质子束打重元素靶产生的中子束与样品的原子核发生反应，散射在探测器上。通过测量这些散射中子的性质变化，就能得出样品的微观结构等。图片来源：中国散裂中子源项目组

“与X光不同，中子的特点，是通过跟原子核的碰撞来测量原子和分子的性质。所以中子能够测量的，是原子核的位置。所以中子在探测氢、碳、氧、氮这些轻元素时的性能非常好。这些轻质原子也是构成生命和能源材料的基础。”陈和生院士说，“另外，中子不带电，但是有磁矩，所以可以测量材料的磁性。而且中子的穿透能力很强，可以测量很大的工件。”

利用中子散射观察到的含水大分子（溶解酵素蛋白，左图）和蛋白质（肌红蛋白，右图）的结构。图片来源：中国散裂中子源项目组

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。

“比如，想研究化学反应中催化剂的工作过程，我当然希望能够在化学反应的过程当中实时的看这个催化剂怎么变化。”陈和生院士介绍，“那么就需要观测在高温高压容器里头进行的化学反应。这个条件X光是穿不透的，只有中子散射才能看得见。”

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。

“大家都很关心的国产航空发动机，有一个大的问题就是安装发动机叶片的涡轮盘。”陈和生院士举例说，“涡轮盘每分钟几万转，加工中要采用粉末冶金的技术，经过多次退火和机加工，上面的残余应力是目前影响发动机寿命和推力等性能的主要障碍。这些残余应力，只有用中子散射才能测量得到。但这是整个航空发动机非常核心的工件，不能拿到国外去测。”

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。

• 在量子和无序材料领域，中国散裂中子源能研究磁性和超导的弹性和非弹性散射相关材料；研究磁性薄膜中磁结构和磁相互作用、磁制冷材料的晶体结构和磁结构、关联电子体系；研究有机材料的自旋密度分布和波，分子磁体；研究无序物质的原子动力学；研究多组分体系和特殊原子类型的动力学；研究无序、参杂、相变、热动力学，化学和生物性质……

  
  

• 在材料科学和工程领域，中国散裂中子源能测量工程部件和工程材料的应力应变；研究形变和破坏的机制；优化工程设计、评估的过程；优化能量存储体系和能量转换装置的过程和材料；理解浸润过程、性质和浸润表面相互作用之间的关系……

  
  

• 在软物质和生物科学领域，中国散裂中子源能研究生物大分子的结构和动力学；研究蛋白质晶体学；精确定位高分子体系中的功能性重要质子；研究天然高分子材料、纳米材料、生物医用材料；研究功能性团簇的关联和自组装；研究药品和输运……

  
  

• 在能源与环境科学领域，中国散裂中子源能研究清洁能源材料（锂离子电池材料、氢能源材料和燃料电池材料，太阳能电池薄膜等）； 研究新能源（包括核能、页岩气、可燃冰等）；研究复杂环境，非环境条件下（包括应变）的多晶聚合；研究高温、高压下纳米多孔性，水合的，名义上无水的矿物合成物中，水分子的动力学；研究流变学；研究高压下流体和溶胶的物理和化学问题；研究火山爆发和地震学……

可燃冰和储氢材料、电动环保汽车电池、骨胶、新药、阿尔兹海默症的治疗手段、基因治疗的新方法、人类基因图、DNA和蛋白质的精细结构、巨阻磁性存储材料、高效的燃油添加剂，甚至新的考古发现，都是中国散裂中子源在未来可预期的研究产出。

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。

比如质子加速器技术的进步，将极大促进质子照相和质子肿瘤治疗等技术的发展，也为进一步发展质子加速器驱动的新型洁净能源系统，和长效放射性废物处理技术奠定了基础；靶站的建设，有助于高能辐射防护保障体系的经验和技术积累；中子散射谱仪的建造，引进和发展了世界先进的中子光学技术和探测技术，包括各种形态的中子导管、中子光栅、位置灵敏探测器、新型快电子学，以及海量数据的传递和处理……

中国散裂中子源工程设备之——靶站谱仪的靶心。图片来源：csns.ihep.cas.cn

利用加速器和中子源技术研究硼中子治疗癌症的关键技术，同时研制造价低、运行维护简单、易于在人口稠密地区医院普及使用的硼中子治疗设备，都将极大促进硼中子治癌技术的临床治疗试验研究，以及应用的推广。

陈和生院士还给我们讲了一个与中国散裂中子源相关的，“意外”的故事。

“航天科工集团的一个骨干企业承担了我们大量的任务。按照我们的技术要求，他们提升了技术能力，也改革了技术管理和质量管理的能力。有了这些技术和能力，他们不仅为军工国防组装了大量的战略武器，还制造了中国最好的佛像。无锡的灵山大佛、香港的天坛大佛、三亚的南海观音，这些几十米高的佛像，几百片金属组成，每一片的形状都要严格的控制，组装在一起还要严丝合缝，对技术的要求很高。”

1998年6月3日，从慕尼黑开往汉堡的德国高铁在途中脱轨，造成101人死亡，88人受伤，是有史以来全世界伤亡最惨重的一次高铁事故。事后的调查发现，脱轨的原因，是列车的轮毂在高速行驶的过程中出现金属疲劳，形成细微裂缝，突然爆裂，最终导致了悲剧。找到事故原因的，是英国的散裂中子源。

散裂中子源和中子散裂技术的出现，让科学家看见了曾经“混沌”的微观结构和相互作用。中国散裂中子源的运行，让中国科学家摆脱了束缚，去探索曾经需要依赖别人的“眼睛”才能看见的未来。

未来的样子，我们拭目以待。

陈和生院士接受果壳科学人的采访。

感谢天津大学材料学博士园的方块对本文的帮助。

参考文献：

Mai, L., Yan, M., & Zhao, Y. (2017). Track batteries degrading in real time. Nature, 546(7659), 469.

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