论文标题：New Opportunities for Neutrons in Environmental and Biological Sciences

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Alexander Johs, Shuo Qian, Leighton Coates, Brian H. Davison, James G. Elkins, Xin Gu, Jennifer Morrell-Falvey, Hugh O’Neill, Jeffrey M. Warren, Eric M. Pierce, Kenneth Herwig

发表时间：04 Mar 2024

DOI：10.1007/s11783-024-1852-z

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在当今的科学研究中，探索自然界的微观结构与动态过程对于解决环境与生物科学的诸多挑战至关重要。中子散射技术因其独特的电中性和对轻元素及其同位素的高度敏感性，成为探索物质内部结构和动态过程的理想工具。

美国橡树岭国家实验室的Alexander Johs和Shuo Qian研究团队近期在FESE期刊发表了题为“New Opportunities for Neutrons in Environmental and Biological Sciences”的观点文章，介绍了正在开发的新一代散列中子源，并展望了中子散射技术在未来环境和生物科学创新中的应用潜力。

与光子（比如X光）或电子（电镜）技术相比，中子散射技术具有独特的优势：中子呈电中性，可以深入材料内部；它们的低能量不会破坏敏感的样品（例如活体细胞）；中子可以检查从原子尺度到宏观尺度的结构，以及从皮秒到微秒及更长时间尺度的动态。例如，与X射线或电子相比，中子可以穿透数厘米以上厚度的样品，包括土壤和许多金属（图1A），此外，中子与同位素之间的相互作用不同，使得它们能够对轻元素及其同位素，尤其是氢（在环境生物样品中含量丰富）进行精确分析（图1B），通过使用氘代技术，可以在原位环境中选择性地表征复杂样品（图1C）。

图 1 中子穿透能力对比

用于实验的高通量中子可以通过研究反应堆中的核裂变或使用加速器的散裂过程产生，中国、法国、日本、英国、澳大利亚和美国都拥有此类大型专用设施。目前，美国橡树岭国家实验室散裂中子源正在设计增加第二目标站（Spallation Neutron Source Second Target Station, STS，图2）。STS的设计专注于冷中子的高亮度源，使其能够更加深入地观察生物与环境样本中的层次结构，提供从原子到介观尺度（约50纳米）的结构信息，并能在几秒钟内完成检测（图3），这对于实时观察动态过程至关重要。

图 2 STS初始八台设备布局图

图3 STS设备的检测时间和尺度

中子散射技术为研究者提供了更近于实时的观察土壤与根系互作、植物-微生物相互作用、地球化学与生物材料中纳米尺度结构与动力学的新机会。例如，中子成像技术已验证土壤入渗、运输和根系吸水的间接测量，并提供了与根-根际-土壤水动态相关的新的机理。中子散射也被用于研究环境科学中的分子结构，例如大气气溶胶粒子在空气-水界面、自然和工程纳米粒子及微/纳塑料的影响、水净化膜的纳米尺度结构表征，以及水系统中的胶体动力学等。

中子散射技术的发展不仅为科学家提供了观察和实验手段，也为应对气候变化、促进可持续农业和开发新药等全球挑战提供了新的策略和工具。随着中子用户设施的不断发展与完善，我们鼓励来自环境科学、地球科学和生物科学领域的研究者们探索并应用中子技术，以解锁其研究潜力。未来，通过进一步扩大中子对样本的探测能力、整合多模态技术以及开发新的数据分析工具，中子散射技术有望在解答关键科学问题中发挥更大的影响。

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本文内容来自FESE期刊2024年第18卷第7期发表的Perspectives文章“New Opportunities for Neutrons in Environmental and Biological Sciences”。通讯作者为美国橡树岭国家实验室Shuo Qian和Alexander Johs。

引用格式：Alexander Johs, Shuo Qian, Leighton Coates, Brian H. Davison, James G. Elkins, Xin Gu, Jennifer Morrell-Falvey, Hugh O’Neill, Jeffrey M. Warren, Eric M. Pierce, Kenneth Herwig. New Opportunities for Neutrons in Environmental and Biological Sciences. Front. Environ. Sci. Eng., 2024, 18(7): 92 https://doi.org/10.1007/s11783-024-1852-z

期刊简介

Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划重点期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

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