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，价值数百万美元的研究设备。它是当代材料分析不可缺少的工具。能量储备、古生物学、催化剂、生物学和电子学等领域的科学家可以通过同步加速器研究材料的显微结构、化学组成和电子结构等。

欧洲法国格勒诺布尔的同步辐射加速器

同步加速器可以把电子的速度加速到接近光速，使电子通过由巨大磁铁组成的圆形储能环，从而产生波长范围从无线电波和高能X射线的高强度辐射。这是一个无与伦比的功能。研究人员可以通过调整磁铁的半径来获得他们研究所需的精确的波长范围的光。同步加速器对波长范围（尤其是X射线波长的范围）有着高度可调性，这是它区别于其它光源的一个关键特征之一。

同步加速器另一个无与伦比的功能是：它有卓越的亮度或光束强度。瞬时产生的大量的X射线光子可以对性能等进行快速的测量，这可以检测反应速度比较快的过程中的一些性能。同步加速器的容量很大，研究人员不仅可以选择性的分别探测一个样品中的每一个元素，还可以通过将轨道放大的方法来检测样品中的化学键、氧化态，并确定原子之间的键合关系。

同步辐射加速器提供了一种前所未有的可以深层次、无损的探测催化剂、电池材料、史前古器物和其它样品的方法。

位于芝加哥附近的阿贡国家实验室的Advanced Photon Source鸟瞰图

世界上有接近60个同步辐射加速器，但大多在欧洲、北美和亚洲。SESAME同步加速器正在安曼和约旦附近建造，这将会是中东地区首个同步加速器。它将在明年开始运行。

SESAME同步加速器的建造已经接近尾声

接下来，我们具体介绍几种同步辐射加速器的应用。

应用一：探测化石和古器物

基于同步加速器的X射线断层扫描技术检测到的微型胚胎的骨骼

2003年，古生物学家在泰国东北部发现了1.25亿年前的大小只有厘米级别的化石蛋。起初，科学家推断，它可能是小型兽脚类恐龙或原始鸟类产下的微型蛋。

通过同步加速器成像方法检测化石蛋中的骨架，科学家才了解到这枚蛋的真实来源——蛇蜥类蜥蜴（科莫多巨蜥类）。科学家表示，这是现今发现的化石中最古老的蜥蜴胚胎，一般蜥蜴产软壳蛋，但这枚蛋是硬壳的，这个发现改变了科学家对蜥蜴繁殖进化方面的理解。

使科学家费解的另一个问题是：蛋中的化石骨骼和周围石头有着相似的密度。同步辐射X射线技术的相衬显微层析可以探测到样品密度的微小差异，从而解决这一问题。同步辐射X射线技术还可以检测很多易碎的古代文物。

应用二：分析新型电子

几十年来，电子工业通过缩小硅基组件的方法，生产出了一代又一代更快、更高效的电子设备。如今，物理性限制已经阻碍了这一发展，科学家正在寻求其它可以使电子器件变小的方法。

一些工程师提出，可以利用分子作为电路元件的分子电子技术。另一些工程师提出利用电子自旋学来解决这一问题。想要实现那些方法，需要了解材料在原子尺度方面的细节。例如，铁掺杂氧化铟由于具有半导体特性和磁性，在电子自旋学方面具有很好的前景。但科学家对它磁性方面的理解不多，这成为电子自选学发展的一大障碍。基于同步加速器的分析方法可以帮助解决这一问题。另外，科学家通过使用同步辐射X射线技术，探索了在金属和有机物界面之间的电荷转移相互作用机制。

在一些光电器件体系中，分子吸收光能，将电子转移到临近的分子或金属电极上。在这些体系中，分子键合细节影响它们的电学性能。例如PTCDA和CuPc载银膜，当混合分子膜和单一成分比较时，PTCDA载银膜中的键变长，键强度变弱；CuPc载银膜中的键收缩，键强度变强。但轨道能量分析的结果却与之相反：键变长使键强度增强，键收缩使键强度减弱。

基于同步辐射的分析显示，在银表面上，PTCDA（红色）和CuPc（蓝色）通过调整它们的键长和能量来提高体系电荷转移性能

通过驻波X射线技术和量子计算，发现键长调整使PTCDA和CuPc在银表面上达到了相同的高度。这种改变使CuPc成为更好的电子施主，PTCDA成为更好的电子受主，从而提高了体系的电子转移效率。

应用三：提高固体催化剂性能

现如今，很多像石油化学、污染净化、化学合成这样的大型化工生产过程都依赖固体催化剂。高温、高压和其它严苛的环境会使催化剂失效，导致工期延迟、成本增加。同步加速技术可以帮助研究人员更好的理解催化剂失去活性的机制，从而想出避免催化剂失活的方法。

研究人员通过X射线纳米成像技术检测未用的和已经使用的流体催化裂化催化剂。炼油厂利用这种催化剂，从原油中提炼汽油和其它产品。催化剂包括两个活性成分：孔径约为1nm的沸石和具有大孔径的黏土。研究发现，原油中的铁和镍等杂质在黏土大孔径处累积，使得原油不能到达沸石处，导致催化剂失去活性。科学家建议通过在催化剂上涂覆防堵塞层来延长催化剂的寿命。

同步辐射X射线技术也帮助设计了用于分解气体中的NOx的催化剂。

应用四：监控电池

现如今，电池成为很多设备的供能装置，研究人员对电池失效的机理和延长电池寿命方面的研究也从未止步。同步加速器可以产生高能（＞50keV）X射线，在电池充放电时观测电池内部情况。高能X射线（硬性X射线）可以穿透材料到达内部，科学家可以通过X射线探测工作中的电池的阳极、阴极和电解质溶液等。

研究人员正在为观测电池的实验做准备

锂空气电池和现如今应用最多的锂离子电池相比，能量密度更大。但是锂空气电池却很容易失效。研究人员通过硬性X射线方法对系列锂空气电池展开了研究。研究发现，电解质溶液中微量的水（可能是电解质分解出来的）会引发不必要的化学反应。例如，微量的水会造成电池阳极腐烂并生成氢氧化锂。氢氧化锂层充满了显微孔道，这使电池持续工作的过程中性能慢慢减弱，直至所有的锂被消耗光。所以，使用耐电解质腐蚀的电极可能会提高电池的性能。

原文链接：Revealing materials’ secrets with synchrotron light

本文由编辑部任丹丹提供素材，朱晓秀编译，点我加入材料人编辑部。