制造完美電池的材料有了可如何把它造出來(lái)

生活在一個(gè)對(duì)智能手機(jī)高度依賴的時(shí)代里，你是否多少有點(diǎn)“手機(jī)充電焦慮”？對(duì)有電量焦慮的人來(lái)說(shuō)，不帶充電器簡(jiǎn)直不敢出門(mén)，手機(jī)屏幕右上角的100%，就是他們安全感的來(lái)源。而當(dāng)電量即將耗盡，那一定是最令人抓狂的時(shí)候：如果此時(shí)能擁有一塊不需充電的電池就好了！能讓電動(dòng)汽車、宇宙飛船無(wú)限續(xù)航的超級(jí)電池，是科幻作品的基本配置，也是科學(xué)家們致力于研究實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。完美的電池應(yīng)該具備哪些特點(diǎn)呢？我們期待它能量巨大(單位質(zhì)量?jī)?chǔ)存的能量越多越好)，儲(chǔ)能超久(放置多年也不會(huì)失效)，性質(zhì)穩(wěn)定，安全可靠。制造這種電池并不是遙不可及的夢(mèng)想，因?yàn)榇笞匀灰呀?jīng)提供了相應(yīng)的物質(zhì)形態(tài)——處于長(zhǎng)壽命同核異能態(tài)的核素。不過(guò)人類至今還未能駕馭這種能量，仍需克服重重困難，去尋找靈活利用它的方法。寶山在前，能夠滿載而歸嗎？圖如果能夠人工大量生產(chǎn)并控制其退激發(fā)釋放能量，同核異能態(tài)可被用于新一代高能量密度核電池等產(chǎn)品的研發(fā)圖|郭松NO.1美人如花隔云端如同人有悲歡離合、月有陰晴圓缺，渺小的原子核也會(huì)處于許多不同的狀態(tài)：其中，能量最低的被稱為基態(tài)，其它的被稱為激發(fā)態(tài)。對(duì)于壽命較長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)（一般大于10納秒），科學(xué)家們把它們稱為同核異能態(tài)。自1921年發(fā)現(xiàn)同核異能態(tài)，歷經(jīng)百年探索，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2500多種同核異能態(tài)。一些同核異能態(tài)的激發(fā)能可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)電子伏。如果用普通充電寶尺寸的同核異能態(tài)材料作為電池，其電量可供目前的一部手機(jī)持續(xù)工作數(shù)千年。有些原子核的同核異能態(tài)，具有特別長(zhǎng)的壽命，比如鉭-180中存在一個(gè)壽命超過(guò)七千萬(wàn)億年的同核異能態(tài)；而有的同核異能態(tài)兼具高激發(fā)能和長(zhǎng)壽命，比如鉿-178中的第二個(gè)同核異能態(tài)，具有二百五十萬(wàn)電子伏的激發(fā)能和31年的半衰期。另外，同核異能態(tài)幾乎不受化學(xué)過(guò)程的影響，具有非常優(yōu)秀的穩(wěn)定性。不過(guò)在自然狀態(tài)下，如果某種同核異能態(tài)有上萬(wàn)年的壽命，其能量就會(huì)在數(shù)萬(wàn)年間緩滿放出。如若不能找到一條釋放能量的捷徑，它就只能應(yīng)用在非常有限的場(chǎng)景中。目前，完美的核電池看上去就像飄渺的美景，可望而不可及。NO.2重門(mén)深鎖無(wú)尋處那么，用什么辦法能快速釋放同核異能態(tài)儲(chǔ)藏的能量呢？目前，公認(rèn)的途徑是通過(guò)誘發(fā)退激:將同核異能態(tài)激發(fā)到其相鄰的短壽命能級(jí)，再?gòu)亩虊勖芗?jí)退激到基態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中使其釋放出所有的能量。科學(xué)家們希望能找到一種非常高效且可控的方式，達(dá)到核激發(fā)的目的——用較小的能量觸發(fā)激發(fā)過(guò)程，釋放出大量能量。人們?cè)欢日J(rèn)為，誘發(fā)退激即將付諸應(yīng)用。1999年，美國(guó)科學(xué)家使用X射線轟擊半衰期為31年的鉿-178m2同核異能態(tài)，發(fā)現(xiàn)其退激速度增加了約4%。這一發(fā)現(xiàn)迅速得到了美國(guó)軍方的重視，他們很快制定了研發(fā)伽馬炸彈的計(jì)劃。如果成功，利用X射線觸發(fā)，伽馬炸彈可瞬間產(chǎn)生相當(dāng)于核彈的破壞力。不過(guò)，后續(xù)研究表明，X射線的激發(fā)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用要求，該計(jì)劃也最終流產(chǎn)。圖在漫威漫畫(huà)中，伽馬炸彈是班納博士設(shè)計(jì)的核武器，可以輸出超強(qiáng)的伽馬射線能量。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，利用帶電離子、X或γ光子轟擊原子核，可以通過(guò)庫(kù)倫激發(fā)、光吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)原子核的激發(fā)。然而到目前為止，實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的激發(fā)幾率都相當(dāng)?shù)?。這或許表明，用直接的手段激發(fā)原子核的思路不太可行。畢竟，原子核的體積小的可憐，只占整個(gè)原子體積的幾千億分之一。當(dāng)人們用離子或光子轟擊物質(zhì)時(shí)，能接觸到原子核的幾率本就不高。NO.3卻疑春色在鄰家在看起來(lái)山窮水盡之時(shí)，科學(xué)家想到了原子核的好鄰居——電子。原子是由原子核與核外電子組成的量子體系。束縛在原子內(nèi)的電子，分布在一系列電子軌道上。如果外來(lái)電子占據(jù)軌道，或電子在不同軌道之間切換，會(huì)釋放能量（通常會(huì)發(fā)射X光子）。如果放出的能量恰好與核激發(fā)所需能量相當(dāng)，則可能會(huì)引發(fā)共振過(guò)程——激發(fā)原子核，而不再放出光子?？茖W(xué)家們從而提出了兩種激發(fā)機(jī)制：電子躍遷激發(fā)和電子俘獲激發(fā)。電子躍遷激發(fā)，是利用電子在不同軌道間的躍遷誘發(fā)共振過(guò)程激發(fā)原子核，因此要求電子躍遷放出的能量與核激發(fā)所需能量非常接近。該機(jī)制已通過(guò)實(shí)驗(yàn)在金-197基態(tài)的激發(fā)中被證實(shí)。不過(guò)，由于該過(guò)程對(duì)能級(jí)能量的要求非?？量蹋壳叭藗冞€未發(fā)現(xiàn)能滿足相應(yīng)能量要求的同核異能態(tài)。電子俘獲激發(fā)，則是利用外來(lái)電子占據(jù)軌道時(shí)放出的能量。由于外來(lái)電子原有的動(dòng)能也會(huì)參與共振過(guò)程，精準(zhǔn)控制電子動(dòng)能即可精確滿足共振條件。因而，對(duì)該機(jī)制的研究近年來(lái)備受學(xué)界青睞。圖電子躍遷激發(fā)和電子俘獲激發(fā)的原理圖。在原子核下方標(biāo)注了發(fā)生對(duì)應(yīng)過(guò)程需要滿足的共振能量條件，V1、V2表示不同軌道對(duì)應(yīng)的電子結(jié)合能。NO.4草色遙看近卻無(wú)2018年，利用電子俘獲激發(fā)同核異能態(tài)的研究迎來(lái)重要突破。美國(guó)科學(xué)家在《自然》雜志報(bào)道了首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到鉬-93的同核異能態(tài)（鉬-93m）的電子俘獲致核激發(fā)現(xiàn)象，并提取了一個(gè)相當(dāng)大的激發(fā)幾率(約等于1%)。相比其它已知機(jī)制，電子俘獲看起來(lái)高效得多。然而，隨后不久，有理論學(xué)者估算了在該實(shí)驗(yàn)條件下鉬-93m的激發(fā)幾率，得到了相當(dāng)?shù)偷挠?jì)算值(約10-11)，使得理論和實(shí)驗(yàn)之間出現(xiàn)了9個(gè)數(shù)量級(jí)的巨大差異。為理解理論和實(shí)驗(yàn)間的分歧，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的研究者從實(shí)驗(yàn)角度仔細(xì)評(píng)估了該實(shí)驗(yàn)。在發(fā)生電子俘獲致核激發(fā)的情況下，短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生稀有的特定能量的光子。然而這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，束流與靶發(fā)生初級(jí)反應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生大量光子，形成厚重而復(fù)雜的本底，光強(qiáng)大概是目標(biāo)光子的幾億到幾萬(wàn)億倍。圖美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的GAMMASPHERE探測(cè)陣列被用于捕捉和測(cè)量這些稀有光子。陣列中央有一個(gè)球形真空容器，半徑約20厘米，通過(guò)各種核反應(yīng)放出待測(cè)光子。在過(guò)去的二十多年間，該探測(cè)陣列一直是世界上探測(cè)效率最高的高純鍺探測(cè)陣列。近代物理所的研究者們通過(guò)論證發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)工作的本底并沒(méi)有被恰當(dāng)扣除，可能會(huì)導(dǎo)致把本底的貢獻(xiàn)誤認(rèn)為是電子俘獲致核激發(fā)，從而高估其激發(fā)幾率。2020年，近代物理所研究者將相關(guān)評(píng)論發(fā)表在《自然》雜志的“MattersArising”欄目上，進(jìn)一步引發(fā)了學(xué)界對(duì)于電子俘獲致核激發(fā)機(jī)制的討論。NO.5夜涼沙際淡螢流由于光譜的本底厚重而復(fù)雜，在這種環(huán)境中尋找稀有事件本就是非常困難的事。就像在陽(yáng)光里尋找閃爍的螢火蟲(chóng)，即使知道那是特別的綠光，也容易被強(qiáng)烈的光線掩蓋。為何不像每個(gè)頑皮的孩子一樣，在黑夜里尋覓螢火蟲(chóng)呢？為了擺脫厚重本底的影響，近代物理所的科研人員及合作者基于蘭州重離子加速器裝置（HIRFL）的放射性束流線RIBLL1，創(chuàng)造性地利用同核異能態(tài)束流研究了電子俘獲致核激發(fā)現(xiàn)象。相關(guān)研究于2022年6月17日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。研究者們提出了改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案：利用約35米的放射性束流線把鉬-93m分離、傳輸?shù)降捅镜诇y(cè)量區(qū)。這使得電子俘獲致核激發(fā)過(guò)程遠(yuǎn)離初級(jí)反應(yīng)，厚重本底不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量帶來(lái)影響。圖利用約35米的放射性束流線把鉬-93m從高本底反應(yīng)區(qū)分離、傳輸?shù)降捅镜诇y(cè)量區(qū)，實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度顯著提高。電子俘獲致核激發(fā)的現(xiàn)象預(yù)期在鉬-93m離子注入探測(cè)端的一瞬間發(fā)生。因此，利用注入信號(hào)定時(shí)，只搜索那一剎那的光子，能進(jìn)一步減少無(wú)關(guān)光子的影響，提高探測(cè)精度。圖實(shí)驗(yàn)測(cè)量端。使用5臺(tái)高純鍺探測(cè)器測(cè)量光子，放置在鋁合金方盒中的塑料閃爍體探測(cè)器探測(cè)注入離子。實(shí)驗(yàn)中，約有1.3億鉬-93m離子進(jìn)入探測(cè)區(qū)域，然而，研究者們最終并沒(méi)有觀測(cè)到電子俘獲致核激發(fā)的現(xiàn)象，提取的實(shí)驗(yàn)激發(fā)幾率的上限值僅為2×10-5。審稿人認(rèn)為：“這項(xiàng)工作與此前報(bào)道相比，結(jié)果更加可靠，測(cè)量精度也有了顯著的提高?！边@項(xiàng)研究表明，同核異能態(tài)離子在固體材料中慢化和阻停的過(guò)程中，激發(fā)幾率很小，這與多項(xiàng)理論工作的預(yù)期一致。這項(xiàng)工作驗(yàn)證了利用同核異能態(tài)束流研究電子俘獲致核激發(fā)的可行性和必要性，為后續(xù)研究指明了方向。NO.6結(jié)語(yǔ)雖然新的研究表明，電子俘獲致核激發(fā)在阻