探究材料的性质

本-今天我们演播室的嘉宾是伦敦玛丽女王大学物理与天文学院的马丁·多夫教授。他在目前的职位和之前作为剑桥大学地球科学系计算矿物物理学教授的生活中都使用了ISIS。马丁，非常感谢你参加我们的节目。我们一会儿会讲到如何使用ISIS，但首先，一般来说，科学家是如何进入ISIS的?它们如何适用?

Martin:每半年，你要写一份提案，然后由你的同行小组进行评估，这是标准的同行评议。就像我说的，每半年发生一次，如果你成功了，你就会被安排。

本:我们必须做这么多的材料，这么多的生物，这么多的基础物理，这是一个配额吗?还是说最强的应用会胜出?

马丁:这总是最强的赢家，但这是一种科学，人们会来做短时间的实验，2、3、4天，有足够的仪器和足够的运行时间，实际上，我认为你或多或少会很自然地得到混合物。

Ben -正如Martyn Bull所说的，有一个由不同仪器组成的“村庄”，这意味着它可以同时做很多不同的实验。

马丁:没错，它们都是不同类型的实验。其中一些是专门研究结构的，一些是研究原子运动的方式，还有一些是混合的。

Ben -那么，你目前在QMUL的职位上使用ISIS是为了什么?

我们最感兴趣的是材料的性质是如何由马丁谈到的两个方面决定的原子在哪里以及它们如何运动。我们对此做了不同的实验。我们做的一些实验主要集中在结构上。在这种情况下，你发射中子，然后测量它们从哪里出来，然后你拟合一个非常简单的结构模型。有时你实际上做的是光谱学中子进来，它们会随着能量的变化而反弹，能量的变化告诉你物质内部振动的能量。

另一种类型的实验，我们最近做了很多次，就是你试图得到一系列原子在任何时间点的快照，在那里，你可以得到它们的平均位置，但实际上，它们是如何波动的，原子是如何弹跳的。你可以在同一张图中看到两者我们要做的其中一件事就是建立与数据一致的原子模型它告诉我们很多关于原子运动的方式，特别是，结构是如何偏离其平均结构的。这通常会告诉你一些材料的行为方式。

本:所以，我们正在寻找的答案与它的结构和动力学有关。然后我们如何利用这些答案来告诉我们一些关于它的物理或宏观尺度的有意义的东西?

马丁:最后，材料的宏观特性是由原子尺度上的变化决定的。所以，如果你看一些像——一系列的例子——存储设备，你显然有一个宏观的磁性，但这完全是由于原子的活动。电池是另一个例子，我们一直在和一个化学小组合作。电池由电解质材料组成，然后有东西通过它们，你有末端电极。在整个过程中原子的运动方向是中子会告诉我们的原子的运动方向将决定电池的性质。

本:所以，你也可以研究材料的组合，也可以尝试探索，比如说，一种同质材料，以了解它是如何工作的。以电池为例，显然你有不止一种材料。你能看到界面，看到交互吗?

马丁:是的。当然，这是你开始进入一个更具挑战性的制度的地方，因为大多数实验，当它们最初被设计成一种仪器时，会考虑一个同质的样本，但实际上，增加了很多与界面有关的挑战。

本:那么，ISIS能向你展示哪些你无法从电子显微镜上看到的东西呢?我们知道电子显微镜可以告诉你原子的位置。那么，除了这些，ISIS还能给你什么?

Martin -好的，你拿电子束或者x射线之类的东西然后你拿中子之类的东西。他们都在看材料上根本不同的东西。中子本身从原子核中散射出去，而x射线和电子则与电子相互作用。所以你看到的是一个完全不同的画面。有些材料在x射线下是看不见的，电子和一些原子也看不见，比如氢就很难用x射线看到。实际上，它在中子中非常明显。所以，你会对不同的原子有不同的看法。

所以它给你提供了我们正在做的其他科学的补充。

马丁:是的，绝对的。

本:你到底在看什么材料?在之前的谈话中，你向我提到了一些非常古老的材料，它们具有我们意想不到的特性。

马丁:通常情况下，大多数材料在加热时会膨胀，但是我们发现有一大类材料的情况正好相反。加热后会收缩。这与你所期望的完全相反。我们还认为同样的材料会有同样奇怪的事情，那就是当你挤压它们时，它们会变得更软。大多数材料，当你挤压它们的时候，想象一下压实它们，它会变得越来越硬，但是有一些材料在你挤压它们的时候会变得越来越软。我们认为它们实际上是相同的材料。我们最近做了一个实验，就在几周前直接观察到这一点。材料是锌氰化物和我们,在伊西斯,把它变成一个高压设备和这很棒,因为中子能够看到样品和看不见的压力设备所以能够通过所有的东西使高压,得到信号,我们花了4天,一天24小时,不断变化的温度和压强,直到我们拿出一张照片显示这是行为,特别是,我们感兴趣的是它是如何受温度影响的。

本-我们认为它是如何起作用的?

马丁:嗯，这并不是一个复杂的画面，但它是一个相当直观的画面。如果你想象3个原子在一条直线上，a B C，然后中间的一个通常是氧，像这样。如果它上下摆动，与这条原子线成直角，如果中间那个原子和另外两个原子的键是刚性的，那么上下摆动的那个键会希望其他键保持在一个固定的长度上，通过上下运动，它会把其他键拉进来。这就是它的运作方式。这是一个非常直观的画面。

所以它实际上把它们拉进去，就像弹簧一样。

马丁-它把他们拉了进来。就像他们是棒子一样。就像这些键是非常坚硬的杆，但中间的那根可以上下弯曲。

本:所以我们能够探测到一些非常不寻常的性质。

马丁:是的。