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访谈——听黄继武老师聊聊XRD那些事

时间:2017-06-25 04:28 浏览:

 黄继武老师的书作为接触过XRD,尤其是使用过JADE的同学,想必对中南大学材料学院黄继武教授这个名字并不陌生。从最开始写的关于JADE软件的使用手册,到他的书籍《多晶材料X射线衍射实验原理方法与应用》,给了众多初学者很大的裨益。受委托,材料人协会长沙分会的沐沐有幸地访谈到黄继武老师为我们讲讲XRD那些事。:您是国内著名的XRD专家,那么求学时代是怎么和XRD结缘的?黄老师:谢谢。谈不上著名的专家,XRD是材料科学家的一个重要研究手段,我本人只是在这方面用得比较多,接触面比较广泛而已。我在大学时学的专业是材料物理,材料结构课程的老师是我国知名的XRD学者李树棠教授。我们现在的本科教材还是使用他老人家所写的《X射线衍射学基础》,他讲课是慢条斯理,理论讲得特别透彻。然后,在后来留校任教的几十年中,一直使用XRD做材料的结构分析。对于我来说,XRD就是一种科研的手段。当然,30年来随着X射线技术的发展和计算机技术的发展,我也随时在跟着学习。总觉得X射线衍射技术的发展速度太快了,应用面太广了,还有很多没有学习到。所以,远远不是一个什么专家。谢谢。:XRD是一项材料结构基本测试方法,您认为学好XRD最关键的是什么?黄老师:谢谢。X射线衍射技术你既可以把它当作一种材料结构的测试手段,通过它来表征材料的组织和结构,你也可以把它看作是一门一直在发展而且还会继续发展下去的一门跨学科的科学。没有一门科学技术象XRD一样有那么多的诺贝尔获得者诞生。随着X射线衍射应用的范围的扩展,它现在已不仅仅局限于材料研究。实际上,X射线衍射的应用一直都包括材料、晶体、矿物、物理、化学、生物分子、医药等领域,现在更加扩展到农业、林业、建筑等广大的领域。因此,要学习好XRD,首先对物理、化学、晶体学、材料学和矿物学有基本的熟悉,然后,也需要对自己的研究领域有专业的知识。当然,更重要的是对这一门科学的热爱。我经常告诉我的学生,在你自己的研究领域,你自己才是真正的专家。:按照您的理解,XRD适合于做什么?黄老师:谢谢。XRD是大材料领域研究的一个必不可少的工具,但它又不象电子显微分析那样直观。XRD的应用于要包括两个方面,一是对未知物质的晶体结构解析。二是对多相混合物的物相的鉴定,以及对这些物相的组织和结构进行分析。所谓结构分析包括这些物相的晶体结构类型、晶胞大小的测定、以及多相混合物中各种物相的相对含量等等;所谓组织分析主要指晶粒尺寸的计算、微观和宏观应力的测量、织构-也就是我们说的择优取向的测量等等。近些年来,利用XRD对低维材料,如薄膜材料的组织和结构进行分析也是一个热门。:除了基本的分析之外,XRD还在哪些领域得以应用?黄老师:谢谢。粉末X射线衍射的主要作用是分析样品中各物相的种类和含量。其它的应用领域还特别多。我真的想不到XRD在哪些方面没有应用。就我接触的,新材料研究,新物质的鉴定需要XRD;找矿,选矿、冶矿、材料制备都离不开XRD;建筑设计,机电机械也离不开XRD;地质普查、石油打井、连修高铁、建坝都离不开XRD;生物材料、吃的粮食、木材改性都离不开XRD。而且在这些方面我都做过相关的工作。:您可以推荐一两本XRD的学习教材吗?推荐理由是?黄老师:谢谢。现在市面上各种新版关于XRD的书真的很多。但是,我还是特别推荐李树棠老师所写的《晶体X射线衍射学基础》,这本书现在已经不再版了,但书的第3章和第4章对X射线衍射的理论阐述得非常清楚。实验方面来说,复旦大学退休教授马礼敦老师所写的《近代X射线多晶衍射》一书是毕其一生的经验——值得一读,另外,上海交通大学姜传海教授和杨传铮教授编著的《材料射线衍射和散射分析》一书对于扩大我们的视野很有帮助。衍射的概念其实不只是X射线衍射,还包括散射,如非晶散射和小角散射,实验手段来说,还有同步辐射和中子衍射,它们由于其能量足够高,对于深入样品内部的结构分析以及磁性能分析具有普通X射线衍射不可比拟的优点。:您分别给本科生、研究生开始了与XRD相关的课程,请问这里面教学内容主要有什么不同?黄老师:在我们学校,本科生、硕士生和博士生都有X射线衍射的相关课程。对于本科生来说,基础的掌握尤其重要,因此,主要讲解衍射的基本原理、方法以及基本应用,例如物相的鉴定和定量分析,XRD谱反映了物质很多方面的信息,只有基础理论扎实,才可能从谱图中读出并解释这些信息;对硕士生来说,已经有一定的基础理论和应用经验。全面地将各种应用的原理、方法和实验方法介绍给他们是主要目的,通过这一阶段的学习,可以全面掌握XRD的各种方法并将其应用到自己的研究中去。作为博士生来说,我们主要是想进一步扩大其应用视野,比如介绍一些特殊的应用,如薄膜方面的应用、新材料研究中的应用实例、同步辐射和中子衍射的一些应用实例介绍给他们,这样他们可以将XRD应用到更重要的科学研究中。:您觉得XRD测试中需要注意的事项主要有哪些,平常学生主要遇到的问题是什么?黄老师:谢谢。我经常和同学们讲的一句话是:多花些时间在数据的测量上面,少花时间在数据的处理上。样品的准备是实验成功的关键,要达到什么目的就要制备满足什么要求的样品,样品达不到要求肯定是得不到满意的数据。数据测量参数的设置是成功的重要步骤。不同实验目的应当采用不同的实验条件。比如,我们一般测量一个数据只需要几分钟,而对于做结构精修的数据,我们往往需要花十几个小时来测量。有的同学很愿意将时间花在数据的平滑等操作上,我总是告诉我的学生们,这样的操作是失真的操作,是无意义的工作。:国内目前XRD最好的测试设备有哪些?国外最先进的XRD设备呢?能基于您对测试设备的理解点评一下吗?黄老师:谢谢。我不想为仪器厂家打广告,但是,既然问到,我还是就我理解说一说这个问题吧,仅仅是个人见解,不一定正确。国内的衍射仪发展了几十年,辽宁的丹东是我们国家的仪器仪表生产基地。丹东浩元公司获得了国家的大力支持,国内包括中科院的十多位知名专家参与进来,做了很大的贡献,所生产的DX-2700,2800在测量精度、功能和测量速度上都不比国外的一些品牌差,有的学校就有几十台,我们学校也有两台,使用得特别好。丹东另一个公司,即通达公司也获得了国家的大力支持,很可能在单晶衍射仪上会有所突破。国内还有一个品牌是北京普析公司的衍射仪,在国内也占有一定的份额。就国外品牌来说,我所接触较多的理学公司、帕纳克公司和布鲁克公司。对他们的产品都比较喜欢。各有优点和长处。比如理学最新产品SmartLab,完全实现了自动识别、自动调整,功能十分齐全,可以满足粉末X射线衍射、散射、薄膜衍射的所有应用要求。:您写了一本《多晶材料X射线衍射实验原理方法与应用》,其中主要介绍的是JADE的使用,对于这个软件,您的评价是?它的优缺点?黄老师:谢谢。其实我写这本书的目的,并非要介绍这个软件的使用。只是,数据的处理必须通过一个软件来实现。我想要达到的目的是通过这个软件的使用来比较全面地介绍粉末衍射的各种应用方法。这样的数据处理很多,每个仪器公司都配有自己的软件,比如,理学公司的PDXL2,布鲁克公司的EVA和ToPAS,以及帕纳克公司的Highscore Plus等我都使用。但是,这些软件只配在相应的仪器上,不能脱离实验室应用,在使用上很不方便。而Jade这个软件是一个通用软件,对这些仪器所测量的数据都能识别和处理,而且这个软件的操作界面友好美观,输出格式化,很适合初学者。这个软件的功能是齐全的,除不能处理织构数据外,基本上包括粉末衍射的功能。特别是应力计算的结构精修功能都包括在内。还有就是,做结构精修时,不需要额外处理原始数据,可以直接通过PDF卡片来读取晶体结构模型,这是其他任何软件都不可比的。它的缺点是对谱图的拟合太麻烦,很多初学者显得会用但用得不精,还有就是精修的指标设计和精修精度有待加强。:除了《多晶材料X射线衍射实验原理方法与应用》这本书之外,您还有其他著书想法或者计划吗?黄老师:我确实有这个想法,而且已经做了几年的工作,我现在一边教课,积累教学经验,一边在准备写一本涵盖X射线衍射基本理论和最新实验手段的教材,以使教学内容不太滞后于发展的需要。我希望我写出来的东西是容易读懂的,而且是实用价值的。谢谢。:对于有志于研究及从事XRD相关工作的学子,您有什么话想说的吗?黄老师:谢谢。我发现两个很好的现象,一是大学一毕业就从事XRD相关工作的年轻人特别多,而且越来越多,二是这一群年轻人中懂相关技术的也特别多,而且越来越多。要用好XRD,知识的掌握和运用非常重要,材料的各种性质都可以通过结构和组织的变化来表征;另一点来说,使用经验的积累也很重要。比如最简单的物相鉴定,并非掌握了XRD的基本理论就可以了,要真正做到“看图识谱”,还需要一定工作经历的沉淀和积累。最后一点就是扩大各专业领域的基本知识。XRD的应用不只局限于某一个领域,比如,虽然你可能出身于金属材料这个门,但你应当对一些矿物生成知识、物理学和化学分子构成知识以及生物分子相关知识都应当有所了解。感谢黄老师的精彩回答。编辑整理。