第608期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《微观世界的探针》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——微观世界的探针
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：张俊荣，中国散裂中子源中子科学部研究员。
黄蔚玲，中国散裂中子源加速器技术部研究员。
讲座时间：2024年10月28日～11月3日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——微观世界的探针
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。我们知道如果人患了癌症，可以通过用CT的方式来检测肿瘤的变化状况，如果是一个高精尖的设备也犯了像肿瘤类似样的状况，我们通过什么方式去检测呢？我国科研人员研发的大科学装置，就可以解决这样的问题。十七世纪以来，显微镜被广泛用于科学研究领域，将微观世界展现在世人面前。然而传统的显微镜，并不能将微观世界完全展现出来。比如金属为何会变形？电池在充放电时，内部都发生了什么变化？要回答这些问题，就需要穿透力更强的科学装备。2018年8月，中国散裂中子源横空出世。这个大科学装置可以解决哪些科学问题？它将对我们的生产和生活产生什么样的影响？我们给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中国科学院高能物理研究所中国散裂中子源中子科学部的副主任张俊荣研究员，欢迎您！另外一位也是中国科学院高能物理研究所中国散裂中子源加速器技术部的研究员黄蔚玲，欢迎您！
科学家为什么把散裂中子源比喻成说是探针呢？探针的话，我们可能脑袋里面想到的可能科学家，或者说很多一些工作人员会拿一个小的仪器，然后带一个小的棒状的像针一样的东西，我们可能会在土壤里面，或者是黑盒子里面，或者各种东西里面探来探去的。那么其实就想用探针来看里面到底是什么东西，那我们中子源可以比作是类似的一个探针，我们也是用一个针去看一些黑盒子，看到物质里面到底是什么东西，只不过我们这个针比较特殊，我们针用的是中子，那我们为什么要（用）中子？其实跟其他的一样，假设我们人眼看这个世界，我们看的是什么？是光，我们用一个电子显微镜，它也有个探针，它的探针是电子，而我们中子用的探针是中子，是因为它有一些独特性，所以要用中子的探针来去观测我们的一些微观世界。在我们之前没有散裂中子源的时候，我们用什么方式来探测物体的内部结构？
其实我们探测物质的微观结构其实有很多种方法，前面已经说到了，最开始电子显微镜，还有光学显微镜，还有其他的各种手段都可以探测它的微观结构，但是每种手段其实都有它的局限性。就像我们盲人摸象一样，每一种手段可能有的人摸到的是大象的鼻子，有的摸到耳朵，有的摸到的腿，所以我们很难用一种技术手段，对这个大象的整个外貌有一个完整的探测。所以我们需要不同的探针，不同的技术对大象不同的部位进行完整的探测，才能构建我们整个物质到底长什么样子，所以刚才提到的我们在中子这个装置之前，有其他的各种的探针，或者各种的显微镜来探测我们的物质的微观世界。但是没有中子，它可能就缺了一个很重要的手段，或者是缺了一条腿来，对整个物质世界最完整的外貌，有一个完整的认识，所以我们需要中国散裂中子源来作为很重要的一个补充，来对我们微观世界有更完整的一个构象的表征。既然我们说这个散裂中子源是一个探针，来探寻的这样一个工具的话，那接下来我们想知道散裂中子源作为探针来讲，它探索的对象是什么？
还是想用一个比喻，我们这个人有多高，可能要用一个米尺来量度。看我们的很远很远的天体，我们可能要用光年来测量这个距离，要看到很微小的东西的话，要用和它尺度可以比拟的。你像我们的头发丝，大概是在几十微米这样一个量级，再比头发丝再小好多好多量级的话，用什么来看，我们就要跟它那个尺度很接近的尺子，所以这个中子它就是研究可以和它本身尺度相比拟的，比如原子，是可以来进行甄别。其实我们中子这个探针，它有广泛性，组成我们这个世界的物质，大部分都是由原子组成的，那我们中子可以探测到最微小的原子，那既然可以探测最微小的原子，那我们其实可以探测任何物质，所以我们探测的不仅限定在金属材料一部分，所以它可以探测我们所使用的各种各样的物质。对于中子，我们通过短片去认识一下。世界上的物质都是由原子构成的，中子则是组成原子的微观粒子之一，它的体积非常小，并拥有不带电等特性，因此科学家想到可以将大量中子射入材料物质的内部。中子的体积微小，有些中子可以穿过材料原子与原子之间的缝隙，也有些中子会与原子核发生碰撞，飞向不同的方向，通过测量中子飞行的轨迹，科学家们就可以反推出材料内部真实的样貌。这种测量方式不仅能探测厚重的材料内部结构，还不会破坏材料本身。因此，散裂中子源被认为是研究物质材料微观结构的理想探针，这种利用中子探测的方式又与X射线探测等手段，有哪些区别呢？我们也有其他的这种探测的方式和探测的设备，那比较起来，如探针一样的散裂中子源，它的探测方式体现的优点在哪里呢？
开始说到我们看这个微观世界的探针有很多种，中子其实只是其中的一种，但是中子有很多独特性，也就是说它有独一无二的特点，所以我们必须用中子这个探针来去看我们微观世界。它最主要的有这么几个特点，第一个像你刚才也提到，就是它的穿透性，其他的很多手段，很难穿透我们的物质，就像我们人眼看这个桌子，很难看到它内部的结构。中子相对于电子也好，还是我们的可见光，还有其他的Ｘ射线等等其他手段，它最大的一个优势就是穿透性，就比方说我们一些金属材料，那金属材料无论是电子还是光子，都只能看到表面，可能也就是在头发丝这个深度，但是中子在很多金属材料可能几个厘米，甚至几十个厘米这样的深度，所以它就可以探到内部的很多结构。那我们对内部结构穿透之后，就可以对整个材料或整个部件的一些结构、属性都观测得比较清晰，所以它穿透性是独一无二。过去我们有X光片，您说的那个比喻的话，X光是不是也可以做到，或者CT、核磁等等是不是也可以达到这个效果？
可能没有中子这个探针之前，我们只能用这些手段来去探测一些内部结构，但是还是刚才说到的问题，一个它没办法穿透内部，如果表面有缺陷，或者表面一些微观结构都是用这些手段可以探测到的。但是如果说内部有什么问题，那我们这些手段就不足以探测到，所以需要用中子来对整体，从表面到内部对完整的微观结构进行一个表征。另外还提到一些其他手段，可能我们没办法对里面的一些磁性结构进行探测，而中子这个探针也可以在这个地方发挥很关键的作用。举个例子，我前一阵子去医院看牙医，他要拍牙片，拍片的时候医生会给颈部套上一个铅衣，那就说明X射线在对你这个蛀牙，在给它进行成像的时候，那么因为有铅衣的保护，那么X（射）线是穿透不了，就会对你下面的这个器官，就可以把它隔离在外。就把Ｘ射线隔离在外，那就说明铅这种东西是可以很广泛用于，能够把X射线给衰减掉，然后就不会对我们的人体产生伤害。但是中子就可以，铅对于中子来说是透明的，中子就能穿透铅，所以有一些多层的这种物质，或者是里面有比较复杂的结构的这种，中子就完全可以摆脱这个局限。
穿透性上是它最大的优势之一，但这只是其中之一，我们还有其他的几个特点，另外可以探测很多这种磁性的。因为其实我们平常用的一些磁盘，还有一些超导各种材料，其实里面都是有磁性作用，这种作用我们只有中子是能够直接探测的，所以我把磁性的一些结构，属性探测清楚，我们才能把这个材料的性能，做得更加优秀。然后还有一个很重要特点，中子就探这些轻的元素，轻的元素就是我们元素周期表里面很轻排在前面的一些元素，最基本的是从碳、氢、氧、氮。我们为什么说这么轻的元素，因为我们身体里面很多的元素都是这种有机的碳、氢、氧、氮元素，而中子它跟这些元素有非常强的一些作用，像其他手段可能很难探测到我们一些生命体，或者很多材料里面这种轻的元素，但中子去照射到这个物体上的时候，我们就可以把这里面的一些轻的元素在哪里，怎么运动，都能探测得比较清楚。所以我们中子相对其他手段来讲，有这么三个比较强的特点，一个可以穿透很深的物质内部去看它的微观结构，第二个我们看到很多这种磁性、量子材料的内部微观结构，第三个我们可以探测这种有机体或者能源材料里面的轻元素。比如说在高温高压下的物质散裂中子源，它有探测的优势吗？
这也是很重要的一点，因为刚才提到的，我们说有其他手段可以探测微观结构，但是我们的样品都非常小，可能都不会超过指甲盖这么大。所以我们在研究这些材料时候，刚才说到用一些电子手段，或者说光学手段去看的时候，我们的材料其实都是一个仿真材料，但是我们很多材料也好，或者是部件也好，要真正体现性能，它一定是要集成成一个大的部件，你要真正地对这个大的部件或者材料去研究，那你必须有一定的穿透性。如果你无法穿透，你是没办法对真正的这个部件的性能或者它工作状态下的一些状态去真正去做检测，所以穿透性是必须有的。另外我们很多的材料，在真正的工作情况下，都是刚才您提到的有高温、高压、强磁场、强的电流这种条件下去作用。如果不在这些特殊条件下作用，它可能体现的性能是不一样，要在这种从复杂的条件下去检测，那也需要一个很强的穿透性，因为有很多这种复杂条件都是由大量的一些设备来支撑的。可燃冰都是从深海里面探测出来的，但是深海大家知道都处于一个高压状态，就深海里面海水压力导致它甲烷也好，或者其他这种水合物也好，可以保存在这个里面，但是你要开采的时候，难度就比较大，你一旦开采出浮出水面之外，你就不在高压状态了。不在高压状态，那些可燃冰里面的这些可燃物质，它可能就会释放出来，那释放出来如果控制不好，可能会造成一个灾难性后果就是燃烧。
另外，如果说我们对压力控制不好，会自然释放掉，也导致我们没办法把这个可燃冰从深海里面开采出来，所以本身对可燃冰的开采、保存以及转移等等，它其实都是在一个高压状态下。那我们必须在高压状态下去了解一些可燃冰物质的一个形态，或者微观结构从而帮助我们，去看怎么去开采，怎么存储，怎么转移，这些都需要一个高压环境，那这就利用到我们中子的一个特点，它可以对这种比较复杂实验条件下的物质进行探测，因为它可以穿透这种复杂的，这种高压的一些容器当中。那说到这个话题，我们看看我们记者编辑的短片。1998年，德国一列时速200公里的列车脱轨，产生了严重的交通事故。事后科学家们将车轮拿到中子源上进行检测，发现车轮内部有许多原本应排列整齐的原子，在长时间的使用过程中发生了变形，最后导致轮子的钢圈破裂，造成列车出轨。日后人们开始使用中子源，对列车车轮进行检测，了解其使用寿命，保证了列车在长时间运行时车轮的安全问题。由于中子的独特性质，大部分的物质都可以通过散裂中子源来进行检测，但建设散裂中子源的成本高、难度大，每年所能检测样本的数目也比较有限，除了钢铁轮毂之外，散裂中子源还能干什么？我们搞这么一个大型的科学装置，用那么高精尖的探测能力，它到底探测的目的是什么呢？
其实刚才提到了，我们是作为一个探针，原则上来讲，我们这探针可以探测任何东西。但是我们好钢用在刀刃上，一定是要做其他的已知的一些表征手段无法做的东西，从而真正地把这个装置，把这个探针的独特性发挥出来，所以我们在重要的几个方面做一些其他手段做不到的东西。第一个最重要的提到我们中子的穿透性，那一定要用在一些大型工程部件上，所以我们散裂中子源目前做了一些航空航天材料，一些部件的一些检测。因为我们的航空航天部件，它的工作条件非常恶劣，有非常高的压力冲击，（在）非常高温的条件下进行工作，那我们需要这些材料，对它的一些可靠性以及耐高温性要求非常高，所以我们需要在这种复杂的条件下，大的这种拉伸力拉伸的条件下，以及一些高温条件下，去观测它的一些微观结构。所以这样我们才能保证这些材料在这种复杂的条件下不会变形，不会断裂，来保证我们这些航空航天的一些高端材料，能够在正常的这种复杂的条件下能够正常运行，所以这是很重要的一点。我们可以理解成这样一个大科学装置，作为探测的功能来讲，它可以来探测出一个材料的内部结构是否是质量足够的。比如说像一个木匠在挑一个木板一样，木板很厚，但不知道中间是否有虫蛀，是否有空心、虚空的地方，它就起到这样一个作用是吗？
我举一个非常贴近生活的例子，中子其实在这个文物考古方面的应用也是非常突出的，有一个南北朝的鎏金铜佛像，比如说我用X射线穿透它，然后看内部构造是怎样，可能什么工艺都发现不了，但是我用中子来看这个铜佛像内部，我会发现有一个木质的支撑结构，那么这个铜材料和木头它肯定是材料差别很大。那么我们这样就可以分析这个铜佛像，在古代它的艺人是怎样把它做成的？他可能先做一个木质的支撑结构，然后在外面有这个范模，然后再浇注而成。有这样一个很好的探测手段的话，我们就可以在不损坏文物的情况下来知道古代的能工巧匠，是怎么做成这样一个精美的鎏金铜佛像。刚才您说到这个缺陷问题，其实我们在很多手段里面是看不到的，我们其实很多材料和很多部件也好加工或者设计出来，发现都是非常完美的，在很多光学手段或者电子手段看上去完美无缺的。但是依然会发现这里面有很多可靠性的问题，或者性能问题，其实根源就在于它内部有些很微小的，很微观的这些缺陷，那我们必须就用中子探针，可以把这些缺陷一点一点地放大，一点点找出来。从内部找出这些缺陷，从而能知道说我们材料为什么会断裂，为什么可靠性不行，为什么使用寿命会缩短，所以这都是中子发挥它这种探测内部缺陷的一个重要的手段。
目前这项技术还应用在哪些主要的行业？用的最多的领域，还是充分发挥中子几个特点的地方，因为刚才提到好钢要用在刀刃上，如果其他的手段能够解决的，我们基本上不推荐用中子来去做。因为我们现在中国散裂中子源是我们国家唯一一个这样的中子源，所以我们的时间也非常宝贵，我们可能必须把这个时间用到最需要用中子探针的这样一些材料研究上面。我们用得比较多的，就刚才提到的一个是功能材料，大型部件要进行一些微观的内部的检测的时候需要用到中子，另外就是能源材料，现在我们手机也好，还是您正在用的这个平板（电脑）也好，其实我们的电池都是用的锂离子电池材料。所以这是目前来讲非常重要的一个新型的清洁能源材料，那我们中子源刚才提到了我们可以看到，里面非常轻的元素，像我们这些手机也好，平板或者电动车用的都是锂离子电池，锂是很轻的一个元素，中子才能探测到非常轻的锂离子的一些运动，或者说一些传输，那这样的话我们可以把整个的电池材料的充放电速度，或者说能量密度提高了很多，中子可以帮助我们去设计或者说提升我们的电池材料，从而让我们的生活更加地方便。
第三个，我们还做得比较多的在一些生物医药方面，因为中子可以探测到这种轻的元素，在医药的一些结构，医药的一些机理上面做一些研究，从而可以帮助我们了解设计什么样的医药可以治疗相应的疾病，或者说帮助我们设计更好的这种医药产品。还有一个是在磁性、超导，这些先进的量子材料上面，我们是利用中子探测这种磁性特征的一些特点，去对它的一些微观机理做深层次的研究，所以主要就在这几个方面，我们工程材料、能源材料、生命科学材料的一些相关的领域。那说到这儿呢，我们来看看散裂中子源是如何发展到今天的，我们通过短片去了解一下。通过人工得到中子的方式并不多，核反应是其中之一。过去我们通过实验性重水反应堆来进行中子散射研究，但这类中子源单位时间内产生的中子数量较少，对样本进行检测的速度不尽人意。进入二十一世纪以来，随着我国整体科研实力的进步，在我国建设一台脉冲式散裂中子源愈发必要。经十年论证，中国散裂中子源于2011年破土动工，于2018年正式通过国家验收。这种新型的脉冲式散裂中子源，通过一个大型的粒子加速器将质子加速到光速的0.9倍，随后将质子像炮弹一般不断轰击在金属靶上，从而轰击出大量中子，用于实验研究。相比以往的裂变式中子源，新型的散裂中子源产生中子的效率得到极大的提升，检测样本的速度也更加快捷，我国的这台散裂中子源也是世界上第四台脉冲式散裂中子源。
目前据我们了解，世界上只有四个这样的大的科学装置，分别在英国、美国、日本和中国，为什么这么少？它有那么难吗？如果说相对其他的一些技术手段来讲，那可能小型的可以放在实验室，甚至放在桌面上，所以可以有很多这样的小的设备去做这种微观结构的表征。但是中子源为什么提到的，特别散裂中子源世界上只有四个，那就是因为我们这个散裂中子源产生中子的方式非常不一样，它是用一个加速器大型装置去产生中子的这样一个装置。这个装置要求的技术非常的复杂，它涉及到非常多的一些尖端的一些技术、设备、实验方法，我们一个是对清洁能源的要求，另一个是对通量的要求，就是我们需要一个更高亮度，更强的这样一个中子源，才能实现对各个材料研究的一个支撑，那要实现更强更亮的这样一个中子源，我们就需要用最新的散裂中子源的技术。就是因为我们之前，我们在这方面起步比较晚，另外刚才提到的我们本身它需要突破的技术也非常非常多，所以我们是花了很长的时间积累，才最终在2018年建成了我们国内的第一个散裂中子源。
对于未来中国的散裂中子源的发展方向，会是什么样的？我们对它还有哪些期待呢？一个刚才提到的我们是国内第一个散裂中子源，但是我们还需要有更强的亮度，只有更高的强度，我们才能从单位时间内做更多的实验，来满足我们很多的需求，满足我们刚才提到的前沿基础科学研究和重大需求的一个各方面的一些研究需要，所以首先我们需要有更高强度的散裂中子源。第二我们还需要依托于散裂中子源建更多的这种实验线站，可以做很多方面的研究。刚才提到了不管是工程材料的、能源材料的，还是量子信息材料的，我们其实是一个综合的实验手段，所以我们还需要依托于散裂中子源，建更多的实验线站，才能充分地把它的能力发挥出来，才能解决不同领域、不同材料、不同方向的一个需求，所以我们想在强度上面要去继续去推升，另外这种实验线站、实验方法上继续去拓展。实际上是需求来驱动着我们要建更强的散裂中子源，我们现在在做的就是要把它做一个升级改造，就好像把一个小超人变成一个超级超人，那么实际上对我们前面建造也是需要攻克很多难关，比如说做的这个加速器，它要采用超导技术，我们后面就会要用到，那么这个对于我们来说也是一个很重要的一个发展方向，不管是后面我们应用中子来做什么，那么前面的这个呢，我们如果把这个技术做的非常先进的话，可以利用它来做其他的这种科学平台，来做更多的这种前沿研究。
这样的高端的科学技术会给我们的民用生活带来哪些改变呢？大家提到散裂中子源，觉得这是一个很高大上，或者偏重于基础科研的这样一个装置。其实不是，它与我们的生活息息相关，或者说它做的很多东西都是我们生活中用的材料，其实拿到在很多科学家也好，或者是一些企业的一些研发人员也好，带着材料到我们散裂中子源来做研发材料，都是我们生活中使用。能举个例子吗？首先就刚才提到的我们用户来做的实验，带的材料最多的是电池，锂离子电池，无论是手机上的充电电池，还是说电动车用的一些电池，帮助大家去对锂离子电池的内部结构去做更清晰的探测，从而去设计说怎么样才能它的充电速度会更快，或者续航能力会更强。这是一方面，还有哪些？比方说一些叫高分子材料，其实我们很多生活中的一些塑料，很多一些有机材料都是高分子材料，那我们是用我们中子谱仪去对高分子材料的一些孔隙结构，或者是一些纳米的微观结构进行一些表征，从而设计一些更高强度的，或者说韧性更好的，或者是黏性更好的这些材料，所以这样的话在很多的一些器件上面，或者设备上面都可以使用这种特别优秀的材料去做。
这样的高端的科学技术会给我们民用生活带来哪些改变呢？其实我举一个例子，就是巧克力最开始的时候，它是从可可树上弄了那个可可粉，然后来做巧克力，对不对？以前巧克力，它比较容易起霜，那个口感就味同嚼蜡，后来是法国的科学家他们就研究巧克力的几种叫结晶状态，就是说它在不同的温度下，它就有不同的形态，后来他们就发现在某一种特定的温度下，这个巧克力，它那个结晶形态，属于不融在手，只融在口。他们是用什么研究？他当时是用同步辐射光源，那我们这个中子，其实我觉得将来可能会有更加接地气的一种应用，可能就是研究怎么才能把这个东西做得好吃。我们对很多的这种食物和这种植物，都是有很重要的研究的，一些种子的一些处理，或者一些食物本身的成分的一些优化等等，都是要用到散裂中子源去做的。所以我们从能源材料上面，从平时用的一些食物这方面，还有很重要的在医药方面，也是我们非常非常重要的一块，很多做医药医疗的，都用散裂中子源来研究他们的一些医药产品。今天非常感谢两位，跟我们共同分享我们国家的这科研成果，也让我们深刻地认识到科技正悄悄改变我们的生活，也感谢您收看我们这一期的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多节目内容，可以下载央视频收看我们过往的节目，我是胜春，咱们下期节目再见。
