在原子的自旋中蕴藏着能源发现的机遇

落基山国家实验室（NLR）的科学家本内特·艾迪生（左）和罗斯·克纳正在研究半导体材料核磁共振（NMR）扫描的结果。他们对那些较少被使用的NMR技术充满好奇并积极探索，这表明在许多能源应用领域中即将有新的发现出现。图片由落基山国家实验室的阿加塔·博古卡拍摄。

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落基山国家实验室的研究人员利用核磁共振技术推动电池、半导体和生物塑料领域的创新发展

当研究人员将他们的发明带到本尼特·艾迪生的实验室时，他常常会问他们一个问题：“你们真的做出了自己认为的东西吗？”

在原子层面，答案往往是否定的。企业以为自己制造出了完美的半导体，但其性能却未达预期；科学家则认为自己制成了坚固的合成纤维，但它却会莫名其妙地断裂。他们俩都忽视了一种已有80年历史、利用磁铁操控原子以极其精确地解析多种领域中原子结构的技术——核磁共振（NMR）。

“在你的研究领域里，几乎肯定存在可以利用NMR的方法。你只需要去尝试实现它。”作为美国能源部落基山国家实验室的NMR设施主管及首席NMR专家，艾迪生正是基于自己的经验这样说的。

在大多数实验室中，有机化学家们进行的都是常规检测，仅用于确认输入的化学品是否正确反应从而生成纯净的最终产品。经过培训后，NLR的科学家们可以独立完成这些常规检测，只有在涉及实验性课题时才会寻求Addison的帮助。

但从他最近看到的非常规检测结果来看，Addison认为核磁共振技术的应用范围比业界和研究人员所认知的更为广泛。核磁共振不仅能支撑NLR的大部分研究工作，如果更多研究人员愿意尝试那些较少使用的分析方法，它还能推动本土创新，为美国的能源、化工、材料以及关键矿产产业带来竞争优势。NLR研究员Ross Kerner走进实验室时，正是这样的情况。

核磁共振发现半导体缺陷，令制造商震惊

在研究生阶段，应一位合作者兼化学教授的坚持，克纳尔开始接触核磁共振技术。这类实验课程很多学生都只是浅尝辄止，因为要深入研究就需要学习更多化学知识。但对于那些能够接受挑战的人来说，核磁共振技术可以用来研究几乎任何材料。

要掌握核磁共振技术的运用，研究人员需要了解原子核的自旋特性与结构。在最常见的核磁共振扫描中，他们先将样品置于液体溶液中，再放入磁体中，最后读取结果——即图表上的峰值，这些峰值能显示化学环境以及原子数量，通常指的是氢原子。这就是第一学期的内容。

但就像元素周期表一样，核磁共振技术的应用也日益精细。它能够检测蛋白质构象的变化，只要有足够强的磁体，几乎可以探测元素周期表上所有元素的自旋状态（尽管1H、13C、31P和19F是最常用的几种）。核磁共振还可以通过将样品置于“特殊角度”来分析不溶性凝胶，而类似的方法也能借助固态核磁共振技术研究固体的结构。

一旦克纳意识到其价值，便深入研究了这门化学技术。他在论文中使用了核磁共振技术，之后在NLR继续运用它来研究有机-无机杂化卤化物半导体晶体。克纳很快便成为核磁共振实验室的常客，他已具备独立进行实验的能力，但却觉得工作始终停留在常规分析层面。

“我当时做的都是非常常规的工作，”克纳说，“后来我开始更多地与贝内特交流。”

当时，艾迪生除了担任科研人员外，还刚接任核磁共振设施主管一职。他与克纳有着同样的好奇心。

“在等待常规分析结果时，我们经常闲聊，”艾迪生说，“我总会询问科研人员他们在研究什么，并思考核磁共振技术能如何提供帮助。”

在一个被四块磁铁围成的小房间里，交流几乎是不可避免的。艾迪生回忆起他们的谈话出现有趣转折的那刻：

“我们正在讨论项目方案，很快便意识到应该使用600兆赫兹的磁铁配合冷冻探针来提升灵敏度。接着，罗斯说：‘让我们从制造商那里获取薄膜样本，以便量化并鉴定其中被困的溶剂。’”

换句话说，就是想真正了解供应商产品的纯度如何。

这是克纳再次见识到核磁共振技术力量的时刻。他将供应商提供的半导体薄层溶解在样品托盘中，再将这些样品放入灵敏度更高的磁体中。从读取的数据来看，每个样品中都存在杂质。就在那时，工业界开始关注这一技术。

“我向多家制造商展示了他们最终产品中究竟含有多少杂质，而且还是以量化的方式呈现的，这让他们大为震惊。仅仅通过两次实验、两天的核磁共振检测，就有几家公司能够调整生产流程，从而提升产品品质，”克纳说道。

Kerner、Addison及其他合作者已在《自然》《ACS应用能源材料》和《InfoMat》上发表了这项研究成果。

“企业通常不会想到去使用这类工具并将其性能推向极限，但当他们开始建立供应链并扩大产品规模时，准确测量初始原料与最终产品的差异就显得极为重要，”他说道。

Kerner目前正在积极探索核磁共振技术的广阔应用领域。

“现在我已经掌握了相关知识，Bennett和我总是不断构思新的方案。我迫不及待想用核磁共振技术尝试各种新事物，”Kerner说，“我心中已有几项应用设想，其中一些还打算与高通量自动化技术结合使用，我只是在等待这个领域发展到能够充分展现其优势的阶段。”

Addison坚信，任何科学领域都可能迎来类似的变革。

借助核磁共振，世界由此打开

探索自然界中那些不可见层面的渴望贯穿于所有核磁共振技术研究者的心中。艾迪生是通过分析蜘蛛丝的结构进入核磁共振研究领域的，而他的实验室助手马利莎·迪克韦拉则是从真菌研究开始其职业生涯的。

艾迪生说道：“在查阅相关文献时，像木质纤维素这类复杂异质材料的描述往往只是卡通图或艺术渲染图，这些图像缺乏精确性，几乎无法通过计算机进行分析。你不可能用卡通图来验证假设。”

例如，杨树的次生细胞壁曾经也只是一幅卡通图，直到艾迪生及其合作者建立了它的第一个大分子模型。如今人们可以在计算机上对它进行挤压、变形等操作，从而加速生物能源与植物科学领域的发现。这对于降低将生物质转化为化学品、肥料、材料及燃料的成本至关重要。

“要构建用于分子模拟的计算机模型，就需要严格的空间约束来将原子置于正确的位置。与其使用‘这些物质相互接触’之类的模糊描述，核磁共振技术提供了关于聚合物之间相对排列方式的定量指标，”制作了该可视化图像并共同撰写了论文《基于固态核磁共振技术的杨树次生细胞原子级大分子模型》的NLR科学家彼得·西塞尔斯基说道。

2026年的一项后续研究发现，次生细胞壁结构具有保守性。

这一计算模型的实现得益于固态核磁共振技术。他们保持了细胞的完整结构，而非像克纳的半导体研究那样将其溶解在溶液中。然而，树木从大气中吸收并构成其木材的碳-12同位素几乎无法通过核磁共振检测出来。因此，他们让这些作物在含有碳-13的培养基中生长，碳-13多出一个中子，其自旋状态可以被检测到。

“如果能够实现同位素富集，世界将会变得无比广阔，”贝内特说道。

而如果无法实现富集，贝内特也发表过一篇关于在自然同位素丰度条件下使用固态核磁共振技术研究生物能源材料的综述文章。事实上，科学家们几乎总能找到适合探索原子世界的核磁共振方法，这完全取决于他们想要观察什么。

以下是核磁共振技术还能实现的更多示例。

森林的快速扫描：用于生物产品原料的核磁共振技术

每棵树都是独一无二的——这对于那些利用林业残余物来生产生物基化学品、材料、肥料和燃料的产业而言并非理想状况。对于这类以数千株树木所蕴含的能量为盈利基础的产业来说，了解不同林分之间的差异至关重要。此处所用的核磁共振技术即为高通量溶液态核磁共振。

在美国能源部科学办公室下属的生物能源创新中心的资助下，NLR利用核磁共振技术展示了杨树在各个林分中的糖分和木质素特性差异。与对细胞结构进行精细分析不同，该技术通过将树样溶解后批量快速处理来完成检测。

借助固态核磁共振技术实现的材料结构原子级分辨率，让艾迪生及其团队不断拓展科学家了解与研究样本的新边界。通过扫描杨木中的聚合物，他们使树木的细胞壁得以被计算机处理：如今，科学家可以精确地研究木材结构，从而找到更有效的生物产品生产方法，同时还能将其以精美的图像呈现出来。他们的这项工作得到了美国能源部生物与环境研究计划以及替代燃料与原料办公室的资助。图像由落基山国家实验室的彼得·西塞尔斯基制作。

“借助包括核磁共振在内的高效分析技术，我们能够将整片森林转化为数据集。我们可以快速检测数百到数千个样本中的糖分和木质素含量，从而识别出极端表型，并将物理特征与遗传因素联系起来，”贝内特说道。

这样一来，只要经过少量培训并配备适当设备，任何科学家都能迅速查明数千种植物的成分。凭借这些知识，他们就能提升生物基化学品和燃料的能量密度与稳定性。

神奇技术：用于生物塑料与聚合物的核磁共振

在复杂的聚合物中，原子级探测尤其困难。这些分子结构在溶液中无法完全分解，同时对固态分析的灵敏度也不高。塑料、生物制品，甚至是脑组织这样的活体样本都需要另一种方法——介于溶液状态和固态之间的分析方式。

高分辨率魔角旋转核磁共振技术非常适合分析这类材料。在美国能源部BOTTLE联盟的支持下，NLR实验室是开发化学升级策略及设计性能更优聚合物的领军机构。该研究还包括合成生物基弹性材料。

为研究这些新材料，贝内特使用了一种特殊的核磁共振检测器，它能将样品以恰好54.7度的角度旋转，这一角度具有所谓的“神奇特性”，使得可以对未溶解材料进行核磁共振分析。这就好比把头倾斜到适当角度以便从缝隙中窥视。NLR团队利用这种方法验证了用于粘合剂、机器人技术及电子产品的弹性可生物降解材料的特性。

应用领域拓展：锂离子电池的核磁共振技术

电池中的离子会不断在各个位置之间移动。这种扩散的速度以及离子的有序程度决定了电池的导电性，进而影响其性能。不过其中起作用的诸多因素目前仍不为人所知，包括温度的作用机制。

Addison协助了一个由NLR资助的电池研究团队，利用锂-7固态核磁共振技术分析不同温度下的离子扩散现象。借助核磁共振技术，研究人员发现了在Li6PS5X化学体系中离子位点无序如何影响离子扩散。

Bennett在谈到电池与电解质的核磁共振研究时说：“我觉得这个领域非常令人兴奋——它是一扇敞开的大门。这有点像在等待像Ross这样的人出现，为这一领域带来更多可能性。”

目前，在NLR，这扇大门依然大敞着。

要更深入地了解自然，请从好奇心开始

科学家们和他们的样本一样，也可能具有半刚性特性——这或许可以解释为何核磁共振技术没有更早被用于此类研究。

“我不知道为什么我们之前没有这么做，”克纳回忆道，“我觉得人们会陷入日常习惯之中。”

艾迪生表示赞同：“很多科学家可能根本没接受过相关培训。”

在NLR，学习如何进行常规扫描只需几小时时间。实际上，一整天都有数十名科学家前往NMR实验室进行20分钟的溶液状态扫描。目前约有120名注册用户在NLR进行NMR扫描，而来自不同领域的数十家行业合作伙伴则依靠NLR的常规NMR扫描来改进他们的产品。

但对于那些超出基础工作范畴的任务，有艾迪生在场会很有帮助。他的专业技能不仅有助于激发各种想法，还能解读那些对其他人而言可能只是图表上尖峰的数据。这需要深入理解化学与物理学，以及掌握质子自旋、同位素比例和电磁亲和力等种种特性。

最重要的是，这需要好奇心。

“如果你不熟悉核磁共振技术，就不会知道它有多简单又强大，”克纳说。“你必须具备好奇心和动力去提出问题：‘我投入了什么，又得到了什么？’你必须愿意走出自己的舒适区。”

了解更多关于NLR分析实验室的信息，以及其在生物质与生物制品特性研究、材料科学和电化学储能领域的成果。

作者：Connor O’Neil，NLR