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超高壓力下的美麗新境界

國家同步輻射研究中心蔡永強博士與美國卡內基研究院地球物理實驗室毛河光院士組成的研究團隊,利用IXS的特性來研究高壓低溫下「水」的形態變化與電子結構。
 
 
 
非彈性X光散射(inelastic X-ray scattering, IXS)是最近十年因先進同步輻射光源所發展出來的尖端實驗技術,它可直接量測凝態物質系統的動態行為,並廣泛地應用在高溫超導、巨磁電阻等各種尖端材料方面的研究,以及生命科學、物理、化學的前瞻性研究上。台灣為促進科學發展,由國家同步輻射研究中心與日本 SPring-8 同步輻射研究中心建造「聚頻磁鐵光束線」(BL12XU),致力於 IXS 技術的發展與應用。

IXS 的運作原理是使用同步輻射高亮度與高能量的硬X光激發樣品,光束通過樣品後產生散射,散射光線再通過晶體能量解析儀而聚焦於偵測器上。我國的 BL12XU 就是為了配合電子能譜學、強關聯電子系統,以及各類凝態物質經由壓力、溫度、電場與磁場所引起相變的研究而設計建造的。

IXS 技術最大的特點就是可在各種極端環境下量測樣品,例如高溫、高壓、低溫、外加電場與磁場等。由國家同步輻射研究中心蔡永強博士與美國卡內基研究院地球物理實驗室毛河光院士組成的研究團隊,就利用 IXS 的特性來研究高壓低溫下「水」的形態變化與電子結構。結果發現,在高壓下經硬X光長時間的照射,原本結構是「H2O」的水,會變成「O2−H2」的氧氫混合體,這是以往科學家未曾發現過的形態。

這項新發現獲刊於《科學》(Science)雜誌上,立刻引起國際注意。水由氫原子和氧原子組成,這兩種原子在太陽系裡占很大比率,因此這項研究成果意義重大,顯示其他物質也可能在各種極端壓力或溫度下產生不同的形態變化,開啟了地球研究的新視野。蔡永強博士進一步指出,水在這種新形態下,其分子結構跟所有已知的形態都不同。而關於新形態進一步的資訊,例如物理性質等,則需要進行更多的實驗加以分析。

利用 IXS 的特性,也可研究鐵在高溫高壓下的形態變化,藉以了解地球內部核心的運作。蔡永強博士表示,IXS 技術應用層面相當廣泛,尤其我國在日本 SPring-8 的同步輻射設備效能相當優異,在電子能譜學的研究上居世界領先地位,國內從事相關領域的科學人員可多加利用國家同步輻射研究中心的設備。蔡博士也會在這個領域持續深入研究,並計劃在國內培育相關人才,讓這項技術在臺灣生根。

深度閱讀
  1. 蔡永強(2004)非彈性X光散射,物理26(2),408-415。
  2. Wendy L. Mao, Ho-kwang Mao, Yue Meng, Peter J. Eng, Michael Y. Hu, Paul Chow, Yong Q. Cai, Jinfu Shu, Russell J. Hemley (2006) X-ray Induced Dissociation of H2O and Formation of an O2−H2 Alloy at High Pressure. Science, 314, 636-638.
  3. 日本 SPring-8 網站:http://www.spring8.or.jp/,3/2/2007
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