同步加速器揭露材料的秘密

材料牛注：同步加速器是尺寸巨大，價值數百萬美元的研究設備。它是當代材料分析不可缺少的工具。能量儲備、古生物學、催化劑、生物學和電子學等領域的科學家可以通過同步加速器研究材料的顯微結構、化學組成和電子結構等。

歐洲法國格勒諾布爾的同步輻射加速器

同步加速器可以把電子的速度加速到接近光速，使電子通過由巨大磁鐵組成的圓形儲能環，從而產生波長范圍從無線電波和高能X射線的高強度輻射。這是一個無與倫比的功能。研究人員可以通過調整磁鐵的半徑來獲得他們研究所需的精確的波長范圍的光。同步加速器對波長范圍（尤其是X射線波長的范圍）有著高度可調性，這是它區別于其它光源的一個關鍵特征之一。

同步加速器另一個無與倫比的功能是：它有卓越的亮度或光束強度。瞬時產生的大量的X射線光子可以對性能等進行快速的測量，這可以檢測反應速度比較快的過程中的一些性能。同步加速器的容量很大，研究人員不僅可以選擇性的分別探測一個樣品中的每一個元素，還可以通過將軌道放大的方法來檢測樣品中的化學鍵、氧化態，并確定原子之間的鍵合關系。

同步輻射加速器提供了一種前所未有的可以深層次、無損的探測催化劑、電池材料、史前古器物和其它樣品的方法。

位于芝加哥附近的阿貢國家實驗室的Advanced Photon Source鳥瞰圖

世界上有接近60個同步輻射加速器，但大多在歐洲、北美和亞洲。SESAME同步加速器正在安曼和約旦附近建造，這將會是中東地區首個同步加速器。它將在明年開始運行。

SESAME同步加速器的建造已經接近尾聲

接下來，我們具體介紹幾種同步輻射加速器的應用。

應用一：探測化石和古器物

基于同步加速器的X射線斷層掃描技術檢測到的微型胚胎的骨骼

2003年，古生物學家在泰國東北部發現了1.25億年前的大小只有厘米級別的化石蛋。起初，科學家推斷，它可能是小型獸腳類恐龍或原始鳥類產下的微型蛋。

通過同步加速器成像方法檢測化石蛋中的骨架，科學家才了解到這枚蛋的真實來源——蛇蜥類蜥蜴（科莫多巨蜥類）。科學家表示，這是現今發現的化石中最古老的蜥蜴胚胎，一般蜥蜴產軟殼蛋，但這枚蛋是硬殼的，這個發現改變了科學家對蜥蜴繁殖進化方面的理解。

使科學家費解的另一個問題是：蛋中的化石骨骼和周圍石頭有著相似的密度。同步輻射X射線技術的相襯顯微層析可以探測到樣品密度的微小差異，從而解決這一問題。同步輻射X射線技術還可以檢測很多易碎的古代文物。

應用二：分析新型電子

幾十年來，電子工業通過縮小硅基組件的方法，生產出了一代又一代更快、更高效的電子設備。如今，物理性限制已經阻礙了這一發展，科學家正在尋求其它可以使電子器件變小的方法。

一些工程師提出，可以利用分子作為電路元件的分子電子技術。另一些工程師提出利用電子自旋學來解決這一問題。想要實現那些方法，需要了解材料在原子尺度方面的細節。例如，鐵摻雜氧化銦由于具有半導體特性和磁性，在電子自旋學方面具有很好的前景。但科學家對它磁性方面的理解不多，這成為電子自選學發展的一大障礙。基于同步加速器的分析方法可以幫助解決這一問題。另外，科學家通過使用同步輻射X射線技術，探索了在金屬和有機物界面之間的電荷轉移相互作用機制。

在一些光電器件體系中，分子吸收光能，將電子轉移到臨近的分子或金屬電極上。在這些體系中，分子鍵合細節影響它們的電學性能。例如PTCDA和CuPc載銀膜，當混合分子膜和單一成分比較時，PTCDA載銀膜中的鍵變長，鍵強度變弱；CuPc載銀膜中的鍵收縮，鍵強度變強。但軌道能量分析的結果卻與之相反：鍵變長使鍵強度增強，鍵收縮使鍵強度減弱。

基于同步輻射的分析顯示，在銀表面上，PTCDA（紅色）和CuPc（藍色）通過調整它們的鍵長和能量來提高體系電荷轉移性能

通過駐波X射線技術和量子計算，發現鍵長調整使PTCDA和CuPc在銀表面上達到了相同的高度。這種改變使CuPc成為更好的電子施主，PTCDA成為更好的電子受主，從而提高了體系的電子轉移效率。

應用三：提高固體催化劑性能

現如今，很多像石油化學、污染凈化、化學合成這樣的大型化工生產過程都依賴固體催化劑。高溫、高壓和其它嚴苛的環境會使催化劑失效，導致工期延遲、成本增加。同步加速技術可以幫助研究人員更好的理解催化劑失去活性的機制，從而想出避免催化劑失活的方法。

研究人員通過X射線納米成像技術檢測未用的和已經使用的流體催化裂化催化劑。煉油廠利用這種催化劑，從原油中提煉汽油和其它產品。催化劑包括兩個活性成分：孔徑約為1nm的沸石和具有大孔徑的黏土。研究發現，原油中的鐵和鎳等雜質在黏土大孔徑處累積，使得原油不能到達沸石處，導致催化劑失去活性。科學家建議通過在催化劑上涂覆防堵塞層來延長催化劑的壽命。

同步輻射X射線技術也幫助設計了用于分解氣體中的NOx的催化劑。

應用四：監控電池

現如今，電池成為很多設備的供能裝置，研究人員對電池失效的機理和延長電池壽命方面的研究也從未止步。同步加速器可以產生高能（＞50keV）X射線，在電池充放電時觀測電池內部情況。高能X射線（硬性X射線）可以穿透材料到達內部，科學家可以通過X射線探測工作中的電池的陽極、陰極和電解質溶液等。

研究人員正在為觀測電池的實驗做準備

鋰空氣電池和現如今應用最多的鋰離子電池相比，能量密度更大。但是鋰空氣電池卻很容易失效。研究人員通過硬性X射線方法對系列鋰空氣電池展開了研究。研究發現，電解質溶液中微量的水（可能是電解質分解出來的）會引發不必要的化學反應。例如，微量的水會造成電池陽極腐爛并生成氫氧化鋰。氫氧化鋰層充滿了顯微孔道，這使電池持續工作的過程中性能慢慢減弱，直至所有的鋰被消耗光。所以，使用耐電解質腐蝕的電極可能會提高電池的性能。

原文鏈接：Revealing materials’ secrets with synchrotron light

本文由編輯部任丹丹提供素材，朱曉秀編譯，點我加入材料人編輯部。