半岛中国科学报]大科学装置在微观世界发力

　　半岛中国科学报]大科学装置在微观世界发力大科学装置也是世界上应用范围最广的一种多学科公用的综合性实验平台，被广泛应用于物理学、化学等基础研究及应用研究领域。

　　中国科学技术大学国家同步辐射实验室建设的大型同步辐射科学装置，能产生具有强度大、亮度高、频谱连续等多项优异特性的同步辐射光源。更重要的是，同步辐射装置为科研提供了一种先进的手段，已成为多学科公用实验平台。

　　同步辐射，这种在普通人看来非常陌生的先进光源，在微观世界却有着令人难以置信的力量，它能让科研人员跟踪观察细胞内部的动态变化过程以及小于1纳米的颗粒物的初期生长过程，在众多的前沿科学领域得到广泛的应用。

　　中国科学技术大学国家同步辐射实验室（以下简称实验室）拥有的大科学装置，能产生同步辐射光源，并已成为多学科公用实验平台。这里的科研人员所做的工作，大多围绕同步辐射开展。

　　同步辐射是速度接近光速的带电粒子，在做曲线运动时沿轨道切线方向发出的电磁辐射，又叫同步光。就像是在雨中快速旋转雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇水珠一样。

　　同步辐射其本质决定了它具有强度大、亮度高、频谱连续、方向性及偏振性好、有脉冲时间结构和洁净真空环境等优异的特性。更重要的是，同步辐射装置就像一台超级显微镜，为人类科学研究提供一种先进手段。

　　“实验室目前拥有一个800MeV（兆电子伏特）电子储存环和一台200MeV电子直线加速器，前者是同步辐射光源的主体，这些装置占地面积为4000多平方米。”实验室主任吴自玉在接受《中国科学报》记者采访时说。

　　这种大科学装置也是世界上应用范围最广的一种多学科公用的综合性实验平台，被广泛应用于物理学、化学、材料科学、信息科学、生命科学半岛.体育 (中国) 官方网站、医学、能源与环境等基础研究及应用研究领域。

　　细胞是生命活动的基本单元和“生化工厂”半岛.体育 (中国) 官方网站，细胞研究是21世纪生命科学最重要的前沿之一。这个项目的主要目标是“同时实现同步辐射X射线显微镜大景深和高衬度成像，实现完整细胞的20~40纳米分辨高衬度三维结构成像”。

　　完整含水细胞高衬度纳米分辨三维成像是一个世界性难题。他们将基于国内的同步辐射装置，建立世界上第一台中能X射线高分辨泽尼克显微镜，研究同时实现大景深和高衬度的成像方法，进而解决这个难题。发展出具有自主知识产权（国际领先）的“X射线细胞CT技术”，开创亚细胞结构谱图工程。

　　新材料的筛选和优化涉及反复的合成、表征，这些枯燥的重复劳动不仅限制了材料科学家聪明才智的发挥，也降低了研究的效率和科研资源的利用率。

　　组合方法——目前又称为材料基因组学，采用并行合成和高通量表征的研究策略，能以有限的步骤在短时间内合成出成千上万的微小材料样品，形成阵列排列的材料样品库。而这些密集排列的微小材料样品的结构、性能的快速表征，同步辐射可以起到关键作用。

　　实验室学术委员会主任高琛教授及其团队就在这些方面作了长期努力，取得了不少成果，光催化材料便是其中之一半岛.体育 (中国) 官方网站。他们用组合方法着力寻找新的可见光响应的高效光催化材料。这种材料对于缓解室内空气污染将起到很大作用。如今，室内空气污染已影响到人们的身体健康。室内空气污染物主要是挥发性有机污染物，比如甲醛。

　　高琛说：“我们希望通过对光催化材料的研究，能够利用它在室内‘编织’一张‘网’，让有害物质通过可见光照射，经过这张‘网’的过滤，净化室内空气。目前这些研究成果已到了从基础研究向应用研究转换的阶段，期望将来能够转化为实际产品造福大众。”

　　同步辐射的优势在纳米研究方面也得到了充分展现。尤其是纳米尺寸的物质在溶液中生长的过程，还有许多科学问题人们不够清楚，同时缺乏第一手实验证据。

　　比如，认识纳米颗粒初期生长过程就碰到很多挑战，目前没有很好的原位实时动态观察的实验手段，现在电子显微镜等成像方法难于观察到溶液中1纳米以下的颗粒，其初期成核过程仍然知之甚少。

　　为解决成像方法无法观察的难题，实验室首席科学家韦世强教授及其团队发展了时间分辨原位同步辐射X射线吸收精细结构谱学技术（XAFS），通俗点说，就是借助同步辐射光源，观察纳米颗粒初期成核的生长过程。

　　“这是基础性研究，成果可以应用到追踪和观察纳米颗粒的合成和反应体系，最终能指导和优化纳米产品生产及制备工艺。”韦世强说。

　　在生产纳米粉方面，纳米氧化物及其复合材料已经应用于冶金、机械、电子、国防及航空航天等领域；在纳米金属氧化物方面，由于纳米粒子表面积大、表面活性中心多，所以是一种极好的催化材料。在石油化工工业中纳米催化材料就扮演重要角色，可提高反应器效率，改善产品品质。

　　“我们可以通过原位XAFS技术观察上述纳米材料物质，挑选出性能优异的原纳米功能材料。”韦世强说。

　　太阳能是可见光范围，如何有效地储存并转化为能源是个难题。比如现在的太阳能电池，主要是采用单晶或者多晶硅半导体材料把太阳光线吸收后转换为能源。

　　“本应是朝阳行业的光伏产业，在我国却盲目扩大规模未有效控制，呈现出‘日落西山’的态势。早在2008年，我国学界就曾呼吁过要警惕过快发展、缺乏核心技术、依赖政府补贴、缺乏内在经济驱动力等。”高琛表示，最主要的原因在于现在的太阳能电池技术不够好，性价比太低，发电成本远高于火力发电。

　　高琛及其团队利用同步辐射开展了集光光伏发电项目的研究，这是一种将纳米各向异性散射、荧光材料和光波导技术相结合，通过等效聚光，来提高太阳能光伏发电的性价比，目前取得了一定进展，并有望更好地和建筑进行一体化集成。

　　韦世强团队在这方面的研究也取得了一定进展，稳定性能好的钛、铁、钴等金属氧化物半导体材料在太阳能光解水方面也很有应用前景。现在这类太阳能电池的转换率很低，只有1%~2%，如果这个效率能提高到5%~6%，那实用价值将会大大提升。

　　最主要是提高光生载流子的迁移能力，让这些吸收的光线促使产生的电子“跑”起来、活跃起来，从而提高转换效率。“我们现在已经能将转换率提高到3%，并做出了实际的材料，但距离理想值还有提高的空间。”韦世强说。

　　韦世强最后谈到，过去，科学研究多是集中在对物质的稳定状态中研究，但微观世界的物质总是在发生变化的。目前，他们的工作是利用同步辐射先进光源，将重点放在时间分辨和空间分辨尺度上，就是加入时间和空间的因素，更细致地观察微观世界的物质，这是实验方法学的创新，也是21世纪实验技术的新亮点。