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制造完美电池的材料有了，可如何把它造出来？
中科院物理所 [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]2022-07-05 22:41 [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Posted on 北京
The following article is from 中科院近代物理所 Author 郭松 刘芳
生活在一个对智能手机高度依赖的时代里，你是否多少有点“手机充电焦虑”？对有电量焦虑的人来说，不带充电器简直不敢出门，手机屏幕右上角的100%，就是他们安全感的来源。而当电量即将耗尽，那一定是最令人抓狂的时候：如果此时能拥有一块不需充电的电池就好了！ 能让电动汽车、宇宙飞船无限续航的超级电池，是科幻作品的基本配置，也是科学家们致力于研究实现的目标。完美的电池应该具备哪些特点呢？我们期待它能量巨大(单位质量储存的能量越多越好)，储能超久(放置多年也不会失效)，性质稳定，安全可靠。 制造这种电池并不是遥不可及的梦想，因为大自然已经提供了相应的物质形态——处于长寿命同核异能态的核素。不过人类至今还未能驾驭这种能量，仍需克服重重困难，去寻找灵活利用它的方法。 宝山在前，能够满载而归吗？
图 如果能够人工大量生产并控制其退激发释放能量，同核异能态可被用于新一代高能量密度核电池等产品的研发 图| 郭松
NO.1
美人如花隔云端
如同人有悲欢离合、月有阴晴圆缺，渺小的原子核也会处于许多不同的状态：其中，能量最低的被称为基态，其它的被称为激发态。对于寿命较长的激发态（一般大于10纳秒），科学家们把它们称为同核异能态。自1921年奥托·哈恩和莉泽·迈特纳发现同核异能态，历经百年探索，人们已经发现了2500多种同核异能态。
一些同核异能态的激发能可以达到数百万电子伏。如果用普通充电宝尺寸的同核异能态材料作为电池，其电量可供目前的一部手机持续工作数千年。有些原子核的同核异能态，具有特别长的寿命，比如钽-180中存在一个寿命超过七千万亿年的同核异能态；而有的同核异能态兼具高激发能和长寿命，比如铪-178中的第二个同核异能态，具有二百五十万电子伏的激发能和31年的半衰期。另外，同核异能态几乎不受化学过程的影响，具有非常优秀的稳定性。不过在自然状态下，如果某种同核异能态有上万年的寿命，其能量就会在数万年间缓满放出。如若不能找到一条释放能量的捷径，它就只能应用在非常有限的场景中。目前，完美的核电池看上去就像飘渺的美景，可望而不可及。
NO.2
重门深锁无寻处
那么，用什么办法能快速释放同核异能态储藏的能量呢？目前，公认的途径是通过诱发退激:将同核异能态激发到其相邻的短寿命能级，再从短寿命能级退激到基态，在这个过程中使其释放出所有的能量。科学家们希望能找到一种非常高效且可控的方式，达到核激发的目的——用较小的能量触发激发过程，释放出大量能量。人们曾一度认为，诱发退激即将付诸应用。1999年，美国科学家科林斯使用X射线轰击半衰期为31年的铪-178m2同核异能态，发现其退激速度增加了约4%。这一发现迅速得到了美国军方的重视，他们很快制定了研发伽马炸弹的计划。如果成功，利用X射线触发，伽马炸弹可瞬间产生相当于核弹的破坏力。不过，后续研究表明，X射线的激发效率远远达不到应用要求，该计划也最终流产。
图 在漫威漫画中，伽马炸弹是班纳博士设计的核武器，可以输出超强的伽马射线能量。图源| 《原罪·浩克大战钢铁侠》
科学家们发现，利用带电离子、X或γ光子轰击原子核，可以通过库伦激发、光吸收来实现原子核的激发。然而到目前为止，实验测量到的激发几率都相当低。这或许表明，用直接的手段激发原子核的思路不太可行。毕竟，原子核的体积小的可怜，只占整个原子体积的几千亿分之一。当人们用离子或光子轰击物质时，能接触到原子核的几率本就不高。
NO.3
却疑春色在邻家
在看起来山穷水尽之时，科学家想到了原子核的好邻居——电子。原子是由原子核与核外电子组成的量子体系。束缚在原子内的电子，分布在一系列电子轨道上。如果外来电子占据轨道，或电子在不同轨道之间切换，会释放能量（通常会发射X光子）。如果放出的能量恰好与核激发所需能量相当，则可能会引发共振过程——激发原子核，而不再放出光子。科学家们从而提出了两种激发机制：电子跃迁激发和电子俘获激发。电子跃迁激发，是利用电子在不同轨道间的跃迁诱发共振过程激发原子核，因此要求电子跃迁放出的能量与核激发所需能量非常接近。该机制已通过实验在金-197基态的激发中被证实。不过，由于该过程对能级能量的要求非常苛刻，目前人们还未发现能满足相应能量要求的同核异能态。电子俘获激发，则是利用外来电子占据轨道时放出的能量。由于外来电子原有的动能也会参与共振过程，精准控制电子动能即可精确满足共振条件。因而，对该机制的研究近年来备受学界青睐。
图 电子跃迁激发和电子俘获激发的原理图。在原子核下方标注了发生对应过程需要满足的共振能量条件，V1、V2表示不同轨道对应的电子结合能。图| 郭松
NO.4
草色遥看近却无
2018年，利用电子俘获激发同核异能态的研究迎来重要突破。美国科学家在《自然》杂志报道了首次在实验中观测到钼-93的同核异能态（钼-93m）的电子俘获致核激发现象，并提取了一个相当大的激发几率(约等于1%)。相比其它已知机制，电子俘获看起来高效得多。然而，随后不久，有理论学者估算了在该实验条件下钼-93m的激发几率，得到了相当低的计算值(约10-11)，使得理论和实验之间出现了9个数量级的巨大差异。为理解理论和实验间的分歧，中国科学院近代物理研究所的研究者从实验角度仔细评估了该实验。在发生电子俘获致核激发的情况下，短时间内会产生稀有的特定能量的光子。然而这项实验中，束流与靶发生初级反应，也会产生大量光子，形成厚重而复杂的本底，光强大概是目标光子的几亿到几万亿倍。
图 美国阿贡国家实验室的GAMMASPHERE探测阵列被用于捕捉和测量这些稀有光子。阵列中央有一个球形真空容器，半径约20厘米，通过各种核反应放出待测光子。在过去的二十多年间，该探测阵列一直是世界上探测效率最高的高纯锗探测阵列。图源| 美国阿贡国家实验室
近代物理所的研究者们通过论证发现，这项工作的本底并没有被恰当扣除，可能会导致把本底的贡献误认为是电子俘获致核激发，从而高估其激发几率。2020年，近代物理所研究者将相关评论发表在《自然》杂志的“Matters Arising”栏目上，进一步引发了学界对于电子俘获致核激发机制的讨论。
NO.5
夜凉沙际淡萤流
由于光谱的本底厚重而复杂，在这种环境中寻找稀有事件本就是非常困难的事。就像在阳光里寻找闪烁的萤火虫，即使知道那是特别的绿光，也容易被强烈的光线掩盖。为何不像每个顽皮的孩子一样，在黑夜里寻觅萤火虫呢？为了摆脱厚重本底的影响，近代物理所的科研人员及合作者基于兰州重离子加速器装置（HIRFL）的放射性束流线RIBLL1，创造性地利用同核异能态束流研究了电子俘获致核激发现象。相关研究于2022年6月17日发表在《物理评论快报》上。研究者们提出了改进的实验方案：利用约35米的放射性束流线把钼-93m分离、传输到低本底测量区。这使得电子俘获致核激发过程远离初级反应，厚重本底不会对实验测量带来影响。图 利用约35米的放射性束流线把钼-93m从高本底反应区分离、传输到低本底测量区，实验的测量精度显著提高。图| 郭松
电子俘获致核激发的现象预期在钼-93m离子注入探测端的一瞬间发生。因此，利用注入信号定时，只搜索那一刹那的光子，能进一步减少无关光子的影响，提高探测精度。
图 实验测量端。使用5台高纯锗探测器测量光子，放置在铝合金方盒中的塑料闪烁体探测器探测注入离子。图源| 近代物理所
NO.6
结语
虽然新的研究表明，电子俘获致核激发在阻停过程中不会高效产生，但并未否定其付诸应用的可能性。对于这样一个共振机制，在充分研究之前，只能在低几率条件下开展实验探测。在明确主导因素之后，仍有希望通过精妙的设计显著提高核激发效率。作为大自然的丰厚馈赠，原子核的同核异能态具有非常优异的储能潜力，如能付诸应用，必将深刻改变人类社会。即使其应用前景依然遥远，仍需开展充分的基础研究。感谢中国核物理学会的支持。
作者| 郭松 刘芳
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.242502
参考文献：1. Philip Walker and Zsolt Podolyák, Physics Script 95 (2020) 044004；2. Philip Walker and George Dracoulis, Nature 399 (1999) 35;3. C. B. Collins, et al., Physical Review Letters 82 (1999) 695;4. S. Kishimoto, et al., Physical Review Letters 85 (2000) 1831;5. Adriana Pálffy, et al., Physical Review A 73 (2006) 012715;6. C. J. Chiara, et al., Nature 554 (2018) 216;7. Y. Wu, et al., Physical Review Letters 112 (2019) 212501;8. S. Guo, et al., Nature 594 (2021) E1;9. https://www.newscientist.com/art ... ger-next-arms-race/
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发表于 2022-7-5 23:43
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