中子散射——探索微觀世界的奧妙

微觀世界有多精彩？我們先來欣賞幾幅圖片：

蒼蠅的眼睛

花叢中的蝴蝶卵

分裂的癌細胞

埃博拉病毒

在沒有產生科學之前，人類用肉眼去觀察和理解世界。同樣都是由「碳」元素構成的物質，金剛石和石墨的物理性質卻有很大的差別，原因是什麼？

閃閃發亮的鑽石

閃閃發亮的金剛石是世界上最硬的材料之一，其碳元素按正四面體結構排列，如果換一種排列方式，便組成了我們日常使用的鉛筆芯的材料——石墨。由此看來，物質的結構決定了物質的性質。

如何觀察物質的微觀結構？中子散射是一種強有力的探測手段。中子和光一樣，具有波粒二象性，既有波的性質，可以反射、折射、衍射、吸收。也具有粒子的性質，可以彈射、散射等。中子由於不帶電，能比其他探測方式更為輕鬆地穿透物質。中子束打到被研究的樣品身上，大多數會不受任何阻礙穿過樣品，但有些中子會與研究對象的原子核發生相互作用，其運動方向也會發生改變，向四周「散射」開來。我們分析中子散射的軌跡、中子和物質發生作用時能量和動量的變化，就可以反推物質的結構。

中子對物質（甚至是很厚金屬容器）有很強的穿透性

為什麼木頭是硬的？為什麼橡膠富有彈性？科學家們在不停地探索組成物質的結構，這需要一系列的研究手段來幫助我們。我們藉助光學顯微鏡可以看到一微米以上尺度的物質結構，例如細胞、花粉。而要看到更小、甚至原位的內部結構，可以藉助於中子散射手段。

中子和X射線一樣，具有穿透性。我們在機場安檢，把包放在傳送帶上，包里的物品會顯示在工作人員的電腦屏幕上。這是最簡單的X射線成像。但X射線的穿透深度是有限的，例如它無法穿透大多數的金屬，所以安檢人員會要求乘客把筆記本電腦、雨傘等物品單獨取出來，他們要用肉眼來分辨這些物品。然而這個問題對中子來說輕而易舉，中子甚至可以穿透很厚的密封鉛罐，「看見」裡面的東西。就像《西遊記》里孫悟空和虎力大仙、鹿力大仙的猜東西比試一樣。

中子可以穿透10厘米厚鉛罐

中子散射還可以協助考古人員對文物進行無損研究，例如我們想知道我國南北朝時期的佛像，其製造工藝是如何？我們顯然無法把文物大卸八塊進行分析。科學家用中子成像技術，可以看到佛像的中間有一根木製「主梁」。原來，中子對輕的元素，也就是原子係數小的元素非常敏感，中間的棍子是木頭做的，也就是碳氫化合物，中子可以輕易地「看到」它。科學家也終於明白，這尊佛像的製造工藝和蓋房子很像，先在中間立一根木樑，在木樑周圍纏上「支撐架」，最終用黏土製成了佛像。

中子散射可以對文物進行「無損」研究

中子散射的裝置非常龐大，可以觀察樣品的原位機構。例如98年的德國高鐵事故之後，科學家陷入了對事故原因分析的爭議當中，是車輪、軸承還是鐵軌出了故障？用其他手段例如電子顯微鏡，需要用激光刀把車輪切成小於1微米的薄片，幾乎沒有可操作性；而用中子散射裝置，可以把整個車輪放在探測器中間，最終發現是由於車輪的老化導致事故的發生。

利用中子散射研究火車車輪

在英國散裂中子源，科學家把整個飛機機翼吊裝到儀器的測量部位，直接觀察在什麼加工工藝下，機翼的各個部分結構才能得到最優化的性能。

同樣，在生物醫藥領域，中子散射可以幫助我們看清蛋白質的內部結構。和X射線只能看結晶狀態下蛋白質結構不同，中子散射裝置可以觀察蛋白質在人體內複雜液體環境下的結構。中子散射也是唯一的可以無損檢測碳纖維、螺旋槳葉片等先進材料內部結構的研究手段。在能源材料領域，氫動力汽車無疑比以汽油為燃料的汽車更加節能環保。如何實現氫氣的穩定儲存？我們希望把氫氣變成密度更高的固體。最簡單的辦法是給氫氣加壓，但有容易引發爆炸的危險。有其他辦法么？現代科學家用一種金屬-有機框架（MOF）材料，可以把氫氣吸進去，要用的時候就把氫氣釋放出來。中子散射可以幫助科學家研究，氫氣在金屬的什麼位置，什麼情況下氫氣可以更好地釋放。

把輸油管道放到散裂中子源裝置進行研究

產生中子有兩種方式：一種是看起來威力很大的「核反應堆」，利用鈾235通過核裂變反應產生中子，但這種方式對於安全性是很大的威脅，於是科學家設計了第二種產生中子的裝置——散裂中子源。其原理是把質子加速到一定的能量，把質子束當成「子彈」，去轟擊原子係數很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子，科學家便通過特殊的裝置「收集」中子，開展各種實驗。散裂中子源的好處在於，加速質子使用的是高壓電場，只要切斷電源，質子就會立即停止轟擊金屬靶，不會有任何放射性污染且可控，因此是最安全的產生中子的方式。

中國散裂中子源加速器裝置

中子散射用處如此之大，因此世界上發達國家都在建設散裂中子源。目前國際上已經建成的有英國散裂中子源、美國散裂中子源和日本散裂中子源。中國散裂中子源於2011年在廣東東莞建設，今年將竣工並對外開放。

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石墨烯「紋身」能告訴你植物是否「渴了」

植物的生長離不開水，但不同的植物對於水分的需求也是不同的，那麼日常培育過程中如何才能有效地掌握這個度呢？這往往需要他人的傳授或者積累的經驗。不過科研專家找到了全新的方法，利用石墨烯製成的條狀濕度感測器，附著在葉片上就能知道需要多少水分。

做法是首先在塑料塊表面創建一排特定帶有圖案的凹口，然後將含有石墨烯的液態溶液填充到凹口中。在溶液干後再放置一層膠帶貼在葉片上。科研團隊通過檢測這些條狀膠帶的導電性就能測量植物葉片所需要的水分，如果導電性越強，代表需要的水分更多。目前這項技術已經在穀物類植物上成功測試。

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手機確實偷走了青少年一樣東西

智能手機確實在偷走對青少年來說非常重要的一樣東西：睡眠。總體而言，青少年比以往睡得更少了。對20個國家690747名青少年的數據分析發現，青少年的睡眠時間比100年前少了1個小時。

有智能手機的青少年在晚上睡得更晚。這可能是因為，他們在使用社交媒體跟朋友聊天，或者在Youtube上看視頻。 睡覺前使用電子設備與睡覺時長減少、失眠癥狀增加有關。而較短的睡眠和較差的睡眠質量又與抑鬱癥狀有關。」

今天的電子屏幕發出了大量藍光，會抑制褪黑素的產生。褪黑素是一種在晚上或黑暗環境中由松果腺分泌的激素，可以調節人體的生物鐘。社交媒體上，來自朋友的消息或評論讓孩子很難睡著。另外，在無盡的娛樂信息的吸引下，讓青少年把手機關閉格外困難。

近期另一項研究顯示，在剛成年的年輕人當中，較差的睡眠質量是嚴重的精神健康問題（如精神錯亂癥狀）的起因之一。 一方面， 大多數青少年能夠很好地適應社交媒體提供的新機會， 另一方面，跟之前幾代的青少年相比，有一小部分脆弱的青少年面臨著更高的風險。電子設備使用時長的增加，睡眠質量下降以及睡眠時長的縮短，這些因素很有可能對青少年的心理健康有著重要影響。其他因素，從城鎮化到在校壓力，也多少會對青少年有所影響。

因為玩手機，哪些事情你的孩子不再做了？如果他不睡覺、不鍛煉、不學習，也不參與新奇和具有挑戰性的活動刺激他的大腦，那就是不健康的。但是，「新奇和具有挑戰性」的定義也在不斷變化。在以前，如果有人問什麼對青少年好，是小提琴還是電子遊戲，會覺得這是一個可笑的問題， 但是現在，意識到玩遊戲需要策略、記憶力、對模式的識別以及反應能力。另外，觀看優質的視頻可能是比閱讀更好的學習方式。 考慮到大腦吸收信息的方式，可能真的是這樣。

提到青少年面臨的威脅，引人注目的新科技總是比那些熟悉和難以改變的問題更容易成為人們關注的焦點，這種偏差可能會使我們的感知發生偏離。除了糟糕的睡眠質量，家庭衝突也是造成青少年心理健康問題的一個重要原因。不僅衝突和壓力會影響大腦，缺乏溫暖和社會支持同樣會影響大腦。有這麼多證據都表明，其他因素會對青少年產生影響，為什麼我們還在擔心手機？我們更應該關注的問題是創傷、貧窮、暴力和毒品，因為它們對青少年的發展有巨大的影響。

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