哺乳可黑紋國家實驗室 2024 年十大發現

紐約州厄普頓 — 美國能源部 (DOE) 布魯克海文國家實驗室擁有獨一無二的研究設施，由來自全國各地和世界各地的科學家共同使用，是一座名副其實的科學之城。每年都有新發現，從亞原子粒子的規模到廣闊的地球大氣層和宇宙，這些發現有可能為新技術提供動力並為重大社會挑戰提供解決方案。這裡，實驗室不分先後順序地介紹了 2024 年的十大發現……以及布魯克海文實驗室的一些重大里程碑。

反物質  反超氫-4 的藝術表現圖。反超氫-4 是由一個反質子、兩個反中子和一個反λ粒子組成的反物質超核，由兩個金核碰撞而產生（左）。（圖片由中國現代物理研究所提供）

反物質聽起來很奇怪，但它確實存在——只是不會存在太久。今年，在相對論重離子對撞機 (RHIC) 上研究原子核碰撞的科學家——一種重現早期宇宙條件的「原子粉碎機」( 「atom smasher」)——發現了有史以來探測到的最重的反物質核。它由四個反物質粒子組成：一個反質子、兩個反中子和一個稱為反超子粒子的粒子。它只持續幾分之一秒，然後衰變成其他粒子。為了找到它，RHIC 的 STAR 合作物理學家搜索了數十億次碰撞產生的粒子流，只找到了 16 個罕見的「反超氫-4」粒子。當宇宙最初形成時，曾經有很多反物質，但當反物質遇到普通物質時，兩者會自毀。如今能夠創造新的反物質粒子，比如這些重反物質核，為科學家提供了測試物質-反物質差異的新方法，這可能解釋了為什麼宇宙只由物質組成。

催化劑

布魯克海文實驗室的化學家設計了一種高選擇性催化劑，它可以通過一步反應將天然氣的主要成分甲烷轉化為易於運輸的液體燃料甲醇。這種甲烷到甲醇的直接轉化過程在低於泡茶所需的溫度下進行，並且只產生甲醇而不產生其他副產品。與更複雜的傳統轉化相比，這是一個巨大的進步，傳統轉化通常需要三個單獨的反應，每個反應都在不同的條件下進行，包括高得多的溫度。該系統的簡單性使其特別適用於開採偏遠農村地區的「擱淺」天然氣儲量，遠離昂貴的管道和化學煉油廠基礎設施，也不需要運輸高壓易燃液化天然氣。該團隊利用了布魯克海文實驗室的兩個 DOE 科學辦公室用戶設施、功能納米材料中心和國家同步加速器光源 II 的工具。他們正在探索與創業夥伴合作將這項技術推向市場的方法。

蛋白質

蛋白質是分子機器，具有靈活的部件和運動部件。了解​​這些部件如何運動有助於科學家揭示蛋白質在生物體中發揮的功能——以及如何改變其影響。今年，由布魯克海文實驗室生物化學家領導的團隊與美國能源部太平洋西北國家實驗室的同事合作，發現了植物中的蛋白質機制如何控制植物是否可以生長並生產石油等能源密集型產品——或者採取一系列措施來節約寶貴的資源。研究人員展示了分子機制如何受一種分子的調節，該分子隨著糖的水平而上升和下降，糖是光合作用的產物，也是植物的主要能量來源。這項研究可以幫助科學家識別蛋白質或蛋白質的一部分，科學家可以對其進行改造，使植物產生更多的油，用作生物燃料或其他石油基產品。

超導轉變

鉭是一種超導材料，在構建量子比特（量子計算機的基礎）方面顯示出巨大的潛力。今年，一支橫跨布魯克海文多個部門的團隊發現，添加一層薄薄的鎂可以改善鉭的性能，防止其氧化。塗層還可以提高鉭的純度，並提高其作為超導體的工作溫度。這三種效應都可能提高鉭在量子比特中保存量子信息的能力。這項工作是量子優勢聯合設計中心的一部分，該中心是布魯克海文領導的國家量子信息科學研究中心，包括該實驗室凝聚態物理與材料科學系、功能納米材料中心和國家同步加速器光源 II 的科學家，以及美國能源部太平洋西北國家實驗室的理論家。它建立在早期工作的基礎上，早期工作還包括普林斯頓大學的科學家。

藍天上的雲朵

布魯克海文實驗室大氣科學家領導的團隊首次對雲層底部的雲滴「誕生區」進行了遙感觀測，懸浮在地球大氣中的氣溶膠粒子在此形成最終形成雲的液滴。在這個過渡區形成的液滴數量將影響雲的後期階段和特性，包括它們對陽光的反射和降水的可能性。這項研究得益於高解析度激光雷達系統，該系統將激光束髮射到大氣中，並以 10 厘米的解析度測量後向散射光的信號。該工具由布魯克海文的科學家與史蒂文斯理工學院和 Raymetrics S.A. 的同事合作開發，將增強科學家對氣溶膠-雲相互作用的理解，並幫助他們深入了解大氣氣溶膠水平的變化如何影響雲和氣候——而無需飛入雲層。

3D 納米結構

功能納米材料中心 (CFN) 的科學家擅長使用 DNA 作為「編程」分子的工具，使其自組裝成 3D 納米結構。通過將分子和納米級構建塊引導到他們設計的特定排列中，研究人員創造了具有導電性、光敏性和化學活性等理想特性的新型功能材料。今年，來自 CFN、哥倫比亞大學和石溪大學的研究人員團隊顯著改進了這一過程並擴大了其應用範圍。通過疊加多種材料合成技術，該團隊開發了一種新的 DNA 引導自組裝方法，可以生產各種金屬和半導體 3D 納米結構——下一代半導體器件、神經形態計算和先進能源應用的潛在基礎材料。這是第一種從多種材料類別中生產堅固且設計精良的 3D 納米結構的方法，為小規模先進位造的新突破奠定了基礎。

核理論學家使用超級計算機計算準確預測了介子（由夸克和反夸克組成的粒子）中的電荷分佈。這些預測將為未來在電子離子對撞機 (EIC) 進行的實驗提供比較基礎，該設施的目標之一是探索夸克以及將它們結合在一起的膠子在介子、質子和中子中的分佈情況。這些計算還有助於驗證「因式分解」，這是一種廣泛用於解釋粒子特性的方法。這種方法將複雜的物理過程分解為兩個組成部分或因子，並將使更多的 EIC 預測和對實驗結果的更自信的解釋成為可能。這樣的計算將幫助 EIC 科學家揭示構成原子的基本構件是如何結合在一起的。

示意圖顯示了激光光子的吸收如何引發微小的變化並傳播

布魯克海文的科學家製作了有史以來第一部原子電影，展示了原子在量子材料從絕緣體轉變為金屬時如何在其內部局部重新排列。他們的研究標誌著一項方法論上的成就，因為他們證明了一種稱為原子對分佈函數 (PDF) 的材料表徵技術在 X 射線自由電子激光 (XFEL) 設施中是可行的——而且是成功的。PDF 通常用於觀察在同步加速器光源下幾分鐘到幾小時內發生變化的材料，但 XFEL 設施產生的明亮而短暫的 X 射線脈衝能夠在皮秒時間尺度上捕獲原子運動。藉助新的超快 PDF 技術，該技術提供像導航應用程序一樣的原子路線，研究人員發現了一種「隱藏」的物質狀態，為了解某些量子材料被激光激發時真正發生的情況提供了新的見解。

戴著紫色手套的研究人員調整了設備

鋰金屬電池具有鋰金屬陽極，其存儲的能量是石墨陽極鋰離子電池的兩倍多。然而，大多數電池供電設備仍由鋰離子電池供電。今年，布魯克海文化學家為能源部鋰金屬電池研究做出了重大貢獻，他們在電池陽極和陰極之間的電解質中添加了一種名為硝酸銫的化合物。他們的添加最終針對的是中間相，即電池電極上形成的保護層，與電池的充電和放電次數密切相關。硝酸銫添加劑使電池充電速度更快，同時保持了循環壽命。然而，使用美國國家同步加速器光源 II 和功能納米材料中心的工具進行更仔細的分析發現了兩個意外發現：一個意想不到的中間相成分，以及一個之前被認為對良好電池性能至關重要的成分的缺失。儘管這些發現挑戰了傳統的電池觀念，但它們為電池工程創造了新的機會。

X 射線揭示細胞結構和功能
疊加斷層掃描圖像


每種植物、動物和人都是由微小、特化細胞組成的複雜微觀世界。這些細胞就像它們自己的世界，每個細胞都有肉眼無法看到的獨特部分和過程。能夠以納米解析度看到這些微觀構件的內部運作而不損害其脆弱部分一直是一個挑戰。但今年，布魯克海文實驗室的生物學家和國家同步加速器光源 II 的科學家結合使用 X 射線方法，以全新的方式觀察細胞內部。通過同時使用硬 X 射線計算機斷層掃描和 X 射線熒光顯微鏡，他們不僅可以揭示結構細節，還可以揭示細胞內的化學過程。這種多模態 X 射線成像方法可能對醫學、生物能源、農業和其他重要領域產生重大影響。

電子離子對撞機開始採購

美國能源部批准購買建造最先進的電子離子對撞機 (EIC) 所需的「長期」設備、服務和/或材料。該核物理設施將與美國能源部的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施和其他眾多合作夥伴合作在布魯克海文建造，以探索物質構成要素和自然界最強大的力量的內部運作。購買 EIC 加速器、探測器和支持基礎設施的複雜組件所需的材料和設備可確保團隊在施工開始時做好準備。這是朝著最終目標邁出的重要一步，即在 2030 年代中期高效交付有史以來最具挑戰性和最令人興奮的加速器綜合體之一。

科學數據存儲記錄

實驗室的科學數據和計算中心現在存儲了超過 300 PB 的數據——這是美國最大的核物理和粒子物理數據彙編。相比之下，這些數據遠遠超過了代表人類歷史上所有記錄和有史以來所有電影所需的數據。緩存來自歐洲核子研究中心 (CERN) 的相對論重離子對撞機實驗和大型強子對撞機 ATLAS 實驗。得益於相對經濟的磁帶存儲和用於將數據安裝到磁碟的機器人驅動系統，世界各地的合作者都可以輕鬆訪問緩存。該系統旨在滿足布魯克海文及其他地方一系列現有實驗不斷增長的數據需求，包括未來的電子離子對撞機。
NSLS-II 慶祝其首次發光 10 周年

10 月 23 日，國家同步加速器光源 II (NSLS-II) 慶祝其首次發光 10 周年，即其首次發射 X 射線的時刻。在過去十年中，這種超亮光源從 6 條光束線發展到 29 條，加速器電流從 50 毫安增加到 500 毫安，接待了來自世界各地的近 6,000 名訪問研究人員，並發表了 3,200 多篇研究論文。自 2014 年以來，NSLS-II 使研究人員能夠以納米級解析度研究材料的物理、化學和電子組成。憑藉其 10 年歷史中的不斷進步，該設施仍然是世界上最先進的光源之一，加速了從生物學到量子信息科學等領域的突破。

阿拉巴馬州大氣觀測站開業

布魯克海文實驗室的世界頂級大氣科學家領導了一項計劃，在美國東南部的一個新天文台安裝一套 DOE 大氣輻射測量 (ARM) 用戶設施儀器。班克黑德國家森林天文台於 10 月 1 日開放，並於本月初舉辦了首次科學研討會和媒體參觀。至少五年內，該天文台將為科學家提供數據，以研究懸浮在大氣中的雲、植被和氣溶膠之間的複雜相互作用。該天文台將對氣溶膠-雲相互作用提供寶貴見解，並將數據提供給天氣和氣候模型，以更全面地了解地球的大氣動力學。