20世紀初，X射線成像的發明提供了醫學知識的飛躍。從那時起，我們可以看到我們身體的骨骼是如何運作的，從而帶來了許多新的治療方法。

現在，使用類似的方法中子成像使氧化還原液流電池的內部功能可視化成為可能，氧化還原液流電池是一種主要用於太陽能和風能係統大規模儲存的電池。該研究是發表在日記中自然通訊。

能夠看到這些電池的內部結構為改進它們提供了新的可能性。

由 TU/e 研究員 Antoni Forner-Cuenca 領導的 TU/e、麻省理工學院 (MIT) 和瑞士 Paul Scherrer 研究所 (PSI) 之間的國際合作，利用中子成像開發了這種新方法。

這項突破提供了非凡的動態影像，幫助我們了解氧化還原液流電池的內部運作原理。

好奇心驅動的跨領域研究

更重要的是，這些圖像為新的想法和解決方案提供了靈感和指導。更直接地說，該方法可以幫助氧化還原液流電池的開發，儘管福納昆卡團隊設計的新成像技術也可能有助於其他科學學科的發展。“我們的方法是在不同領域進行實驗和借鑒的結果。這是一個令人興奮的例子，說明了好奇心驅動的跨學科研究的重要性。”

中子射線照相術在題為「利用中子射線照相術量化氧化還原液流電池中的濃度分佈」的研究中發揮著至關重要的作用。福納·昆卡 (Forner Cuenca) 在攻讀博士學位期間學到了很多有關這種成像技術的知識。培訓於 2013 年在 PSI 開始。然後，2017年，他在麻省理工學院進行博士後研究，在那裡他了解了氧化還原液流電池。就在這時，他腦子裡的燈泡亮了。

系統仍然是一個黑盒子

「液流電池內部有流動的液體，即所謂的電解質。當電池充電或放電時，電流流過電池。因此，電解質中的離子和氧化還原分子開始向不同方向移動，從而導致分子濃度的變化。

「這種運動決定了電池的性能和耐用性，但迄今為止，該系統仍然是一個黑盒子。觀察工作電池內部並可視化濃度分佈的能力將極大地提高我們對系統的理解。”

因此，電池工作原理的關鍵因素仍然是未知領域，這引起了福納昆卡的思考。「我們的身體也主要由液體組成，即水。X 射線穿過液體並與骨骼中的較重元素相互作用，使您無需剖開身體即可看到它們。

“中子的工作方式相反：它們很容易穿過電池外殼材料，但與液體電解質中的分子發生強烈相互作用。”

現有科學的新應用

「利用中子與某些分子相互作用的這一基本特性，我們正在使用中子射線照相術第一次觀察液流電池中分子的濃度。

「這種技術本身並不新鮮；例如，博物館已經使用它來觀察歷史物品的構成而不損壞它們。但現在我們也可以用它來可視化移動的流體，如氧化還原液流電池」。

不過，福納昆卡和他的團隊使用的方法仍然比 X 光攝影費力得多，並且與定格動畫類似。

「為了即時追蹤電池中液體濃度的變化，我們每 30 秒連續拍攝穿過電池的中子集合的照片。可以說，我們將這些照片拼湊在一起，為我們提供了一段影片顯示電池運行期間濃度如何變化。

10 天輪班 24 小時測量

這些實驗是在 PSI 的中子源進行的。由三位博士組成的協作團隊。學生們與 Forner-Cuenca 的 Remy Jacquemond、Maxime van der Heijden 和 Emre Boz 一起負責實驗，他們現在已經成功畢業，成為醫生。由於實驗非常激烈，團隊在大約 10 天的時間裡進行了 24 小時輪班測量，以最大限度地提高生產力。

「有機會使用中子是一次非凡的經歷；我們平均每兩年才使用一次這樣的設備。PSI（實驗發生地瑞士保羅謝勒研究所編輯）每年都會舉辦一次國際實驗競賽按重要性排名。我們有幸進行了四項成功的實驗。

「就努力和專業知識而言，這個計畫具有挑戰性，三名博士生的合作對其成功至關重要。我為這三位同事感到非常自豪，他們作為一個真正的團隊努力工作和協作。這顯示了團隊合作的巨大價值，無論是在我們的研究團隊中，還是與 PSI 和麻省理工學院的國際合作者中。

有很多需要改進的地方

Forner Cuenca 表示，出於多種原因，可視化氧化還原液流電池中的流體作用非常重要。「當然，了解電池內部發生的過程意味著我們可以開發性能更好的系統，使其工作效率更高，使用壽命更長。

“因此，由於它們主要用於儲存太陽能和風能的可再生能源，我們希望為能源轉型做出貢獻。”正如 Forner Cuenca 在我們網站上的這篇早期文章中所解釋的那樣，仍然有很多需要改進的地方。

然而，與任何新技術一樣，它也提供了未來的其他可能性。“例如，化學反應器用於製造塑料、化妝品和藥品等各種產品。由於我們的方法能夠實現溶液中有機分子的可視化，因此我們預計其他工業應用可以從我們的成像技術中受益。”

這些新的見解反過來可能會帶來完全不同的方法或想法。「這就是最令我興奮的：激發好奇心。畢竟，這就是我們開發這種新方法的方式。協作研究和好奇心驅動的想法是科學發現的兩個關鍵要素。在ERC 資助的藍天計畫的支持下，我們能夠開發這種方法，並且我們在未來有許多新的想法可以追求。