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  • 近30年的堅守,高溫拉曼光譜與熔體結構研究走在國際前沿——訪上海大學尤靜林教授
  • 儀器信息網 2020/4/3 9:35:56 加載中...
導讀儀器信息網特別走進尤靜林教授實驗室,請他回顧了與高溫拉曼技術、熔體結構研究相伴近三十年的故事,并談論了對國產儀器技術與應用現狀的一些看法。
  • 高溫拉曼光譜技術作為拉曼技術之一,為高溫工藝過程、地質學和材料制備等領域的結構研究與應用提供了一種新的原位檢測手段,因此,越來越受到業界重視。

    在這一研究領域,有一個“標簽”人物必須一提,那就是省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室常務副主任、上海大學材料科學與工程學院教授尤靜林。尤靜林教授在國內較早地開展了高溫拉曼光譜技術的研究與應用,尤其結合熔體結構研究等方面填補了國內空白,達到國際前沿水平。

    近日,儀器信息網特別走進尤靜林教授實驗室,請他回顧了與高溫拉曼技術、熔體結構研究相伴近三十年的故事,并談論了對國產儀器技術與應用現狀的一些看法。

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    訪談中的尤靜林教授

    談科研:相伴近三十年,高溫拉曼技術與熔體結構研究

    高溫熔體結構研究填補國內空白

    黄色在线看尤靜林團隊科研工作主要包含儀器檢測技術及高溫熔體結構研究兩方面。儀器檢測技術包括原子光譜、拉曼光譜,涉及一些輝光放電光譜、原子吸收和發射光譜、紅外光譜等,主要精力集中在極端條件的分子檢測方法,比如高溫拉曼光譜技術。高溫熔體結構研究則集中在研究高溫條件下,無機熔體在熔融狀態下的結構狀態。

    國內從事高溫熔體結構研究的人員并不多,冶金、地質及晶體學領域研究人員略有涉及,但也只是理論研究或實驗室檢測,涉及到熔體結構層次的研究比較少,可以說尤靜林團隊的研究工作填補了國內熔體結構研究領域的這一空白。

    熔體液態結構研究同樣具有重要意義

    尤教授認為,高溫熔體在液態條件下,具有豐富的結構,對這些結構的研究非常有意義,顯然,物質在高溫液態下的結構比在固態結構要復雜得多。

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    熔體結構與性能研究實驗室

    黄色在线看以冶金領域為例,煉鋼實質是煉渣。鋼鐵產品中不需要的雜質,可以通過爐渣吸收,借助化學反應或化學平衡去除雜質,也可以通過化學平衡,在金屬液中添加一些有益元素,最終改善鋼鐵產品的成分和質量。所有這些操作都是在高溫狀態下進行的,所以有必要在熔體中對爐渣進行相應研究,這就需要使用高溫拉曼技術手段了。

    不止冶金領域,熔體結構研究涵蓋諸多領域,尤靜林團隊和其他領域研究者有著廣泛合作,比如地質領域方面,與中國地質大學的莫宣學院士團隊合作;晶體學領域方面,與中科院北京理化技術研究所吳以成院士、中科院上海硅酸鹽研究所仲維卓研究院、研究所山東大學于錫玲教授、中科院合肥分院物質結構研究所殷紹唐研究員等合作。 

    對高溫拉曼光譜技術近三十年的堅守

    尤靜林與高溫拉曼的結緣要追溯到27年前:1993年,上海大學材料科學與工程學院采購了第一臺拉曼光譜儀——HORIBA的U1000 ,1994年,巧合之下,剛留校不久的尤靜林負責了這臺儀器;1998年,在當時還沒有ICCD情況下,尤教授使用類似ICCD原理但自己搭建的“組合裝置”,在這臺U1000上測出了攝氏1750度的高溫拉曼光譜。

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    尤靜林教授演示高溫拉曼檢測操作

    一路走來,盡管感興趣和從事高溫拉曼光譜技術研究的科研人員不算少數,但能堅持下來的卻并不多。這是因為,實驗中一旦涉及較高溫度,對實驗儀器、條件等的穩定性要求都會比較高,此外科研工作者操作難度也會大大增加。常溫條件下,做實驗若出現問題,通常可以不考慮時間,多做幾遍即可,但高溫條件下,如果高溫爐或電腦出現一點問題,都會導致系列實驗戛然而止,而實驗中斷后,一切實驗條件可能都要重新再做,這對于長期伏案于實驗室的科研工作者來說是很崩潰的。另外,高溫拉曼在實際應用中也會遭遇很多麻煩,比如黑體輻射背景干擾,樣品高溫揮發導致觀測過程像“戴著眼鏡進浴室”,視野模糊不清,加熱爐爐絲損耗的高成本等挑戰。

    在這樣的科研背景下,尤靜林教授始終保持著一位純粹的科研人的本色,不畏艱難,執著堅守,默默深耕近30年,讓人感佩。

    談技術:不簡單的高溫拉曼

    高溫拉曼光譜技術發展與應用

    黄色在线看尤靜林團隊是國內最早一批從事高溫拉曼相關研究的科研人員,當時俄羅斯、美國、法國等也同時開展了相關研究工作。國際上,是尤靜林團隊首次將ICCD (增強型電荷耦合裝置)探測器與高溫拉曼結合的。ICCD具有電子開關作用,可以同步脈沖激光的步調,有脈沖時,電子開關同步打開接受信號;沒有激光脈沖時則關閉,這樣就大大提升了拉曼光譜信號,削弱了黑體輻射,起到去除黑體輻射背景干擾的作用。

    談到ICCD與高溫拉曼的結合,尤靜林回顧了與HORIBA成功合作的往事。2003年,尤靜林看到有關原子光譜與ICCD結合的技術后,產生了將高溫拉曼光譜儀與ICCD結合的想法,并轉達給HORIBA,希望其能做技術嘗試。幾個月后,HORIBA法國嘗試成功,尤靜林也很快選購了ICCD,同時在2004年又采購了HORIBA第二套光譜設備(HR800)。

        有了ICCD的助攻,配合納秒級脈沖激光,確保了檢測的穩定和便捷,結合了多個不同功能的高溫熱臺,使該技術迅速應用在包括硅鋁酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽、氟鋁酸鹽等多種高溫無機熔體或熔鹽的拉曼光譜溫致結構變化實測和反應過程原位跟蹤研究中,成為高溫熔體結構重要和有效的實驗驗證手段。

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    ICCD和拉曼光譜HR EVOLUTION聯用

    黄色在线看尤靜林表示,高溫拉曼光譜技術應用面很廣,比如高溫熔融狀態下,核反應堆研究對拉曼等檢測手段需求呈上升趨勢。結合拉曼共焦技術,利用空間分辨能力,成為應用于高溫熔體晶體生長邊界層的一支利劍,具有比其它方法如高溫X-射線散射技術和核磁共振譜的顯著的優勢。還有如焦炭制備過程、地質巖漿探測等,相比以往冷卻下來再觀測,高溫原位觀測則可以實時真實地研究其結構及其變化過程。

    為何要使用高溫拉曼技術?“高溫”與常規拉曼區別?

    尤靜林表示,許多使用拉曼光譜技術的科研人員都會涉及到變溫拉曼的需求,比如說300度、500度、800度、1000度,有的甚至是1500度。變溫時,如果是溫度低于攝氏1000度,那目前常規拉曼光譜儀完全可以勝任。但如果超過攝氏1000度,常規的拉曼光譜儀就有了自身局限性。

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    拉曼光譜HR evolution的2種加熱臺

    出現局限性是什么原因呢?當溫度超過1000度時,高溫黑體輻射背景,就會成為一個壓倒性的強光背景,把拉曼信號掩蓋掉。這樣就無法采集到拉曼信號。所以我們非常需要研發出一種技術手段,能夠把強大黑體輻射背景去除并提取出拉曼信號,這是高溫拉曼技術的核心所在。

    相比高溫核磁、高溫XRD等,高溫拉曼的技術優勢?

    針對高溫液態熔體結構的,除了高溫拉曼光譜技術,還有高溫X射線散射技術和高溫核磁共振譜等,但相比之下,高溫拉曼技術有哪些優勢?

    黄色在线看尤靜林表示,高溫X射線散射也可以實現原位測量,溫度也能做到攝氏1500度甚至1600度。但它獲取的信息量比較有限。對于熔融無序態,高溫X射線散射可以給出第一近鄰的鍵長、化學鍵、配位數等信息,再遠的位置很難再獲取其它有效信息。雖然通過統計方法可以擬合一些宏觀性質,但對于理解熔體微觀結構還遠不夠。

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    尤靜林教授講解隨筆

    高溫核磁共振技術的弱點在于,當樣品熔融到了液態時,該技術對結構捕捉的靈敏度就很差,會將液態的快速動態結構信息平均化,所以測到的信息實際上是被扭曲了,信息量就大打折扣。

    而高溫拉曼光譜技術卻是一種較有效的方法。它不僅可以獲取鍵長、配位數信息、不同配位數的團簇信息,以及通過定量獲得對應的微結構種類含量等,還可以提供更豐富的結構信息,對理解熔體結構和進行相關計算機結構模擬比較研究等提供更多可能。

    計算機模擬技術不可少

    由于熔融結構的高溫拉曼技術研究開展較早,對應的拉曼光譜沒有可以參考的數據庫,尤靜林團隊便不得不同時開展了“解釋”譜圖的工作——計算機模擬。尤靜林團隊利用工作站,通過分子動力學方法、從頭計算分子動力學和密度泛函理論等方法進行結構模擬和光譜模擬,用以比較解讀實測的拉曼光譜,二十多年的實踐,計算機模擬方面的工作也獲得了很好的效果。同時,尤靜林團隊還開發出了結構和光譜模擬方法,也與許多合作單位開放共享。

    談實驗室:儀器設備、教書育人那些事

    科學儀器助力研究功不可沒

    科研成果離不開先進科學儀器的助力,而尤靜林教授對實驗室那些儀器設備都有著深厚的感情。比如實驗室的首個ICP是1993年采購,使用16年后,2009年擴大規模才買了第二套ICP,第二套使用到現在也已經10余年,儀器狀態卻維持相當好的狀態。

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    實驗室先后采購的三臺HORIBA拉曼光譜儀(左至右:U1000、HR 800、HR evolution)

    黄色在线看說起拉曼光譜,尤靜林教授更是如數家珍。實驗室先后在1993年、2004年、2019年采購了三臺HORIBA的拉曼光譜(涵蓋了HORIBA拉曼產品的三代logo)。尤靜林表示,第一臺拉曼光譜U1000的光柵依然保持得很好,近期計劃把它更新一下,再重新使用起來。另外兩臺拉曼光譜儀都在正常使用中,尤其2019年安裝完畢的HR evolution,配置了最新一代ICCD,十分便捷高溫條件下的測試。配置鹵素燈熱源,理論上溫度可以達到攝氏1800度,常規在1700度左右。對于更高溫度的測試要求,比如核反應堆相關實驗,實驗室正在制作氣旋的懸浮樣品裝置,利用激光加熱可以達到攝氏2000度以上。

    主張團隊新人從“經營”實驗室開始

    作為一名老師,尤靜林教授對學生教導有方,關愛有加,因此,他在學生中有著很高的口碑。

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    實驗室一角

    黄色在线看尤靜林經常對剛進團隊的博士、碩士同學們說,進入團隊先不要忙著學東西,而要先走進實驗室,在實驗室“沉浸”一段時間,不做事情沒關系,關鍵是要多問多看多觀察,多向師哥師姐請教。在這樣的氛圍中“沉浸”一兩個月,新人就能漸漸融入實驗室的環境氛圍,就會熟悉和理解許多實驗細節和習慣,學會溝通交流,增強實驗操作的自信,漸漸在科研工作中獨當一面。

    主張開放,給學生更多成長空間

    黄色在线看尤靜林很珍惜師生緣分,在學習生活中,一直努力讓學生獲得最好的發展。

    尤靜林向儀器信息網回顧了兩個碩士生的故事。當時團隊有兩個碩士生都很努力,也十分優秀,尤靜林為鼓勵二人繼續碩博連讀,主動承擔了他們博士期間三年的學費。兩位學生也沒有辜負尤靜林的期望,順利博士畢業,獲得優秀成果,并繼續從事博士后研究工作。回想起這件事情,尤靜林十分愉快,雖然學費都是從自己工資中拿出來,但覺得十分值得。因為一方面成就了學生,另一方面也發展了自己的團隊,科研工作也獲得了良好的推進。尤靜林教授認為,為人為師,不要計較太多,老師開放一點,給學生更多發展空間,讓其獲得成長,其實師生都能受益。

    談觀點:拉曼技術大有可為,國產儀器還要努把力

    拉曼光譜技術未來大有可為

    關于拉曼技術的未來發展趨勢,尤靜林談了三個方面的發展:

    首先,拉曼光譜技術的分辨率會越來越高,向近場發展。這將測試不斷推向一個更小的空間;還可以通過與其他檢測方法結合,使空間分辨率進一步提升。

    黄色在线看其次,超快速掃描。減短掃描時間是一個很大優勢,比如實驗現場測試量較多時,提高掃描速率,所獲得的有效信息量會大大提升,從而提高了信息的層次。

    黄色在线看最后,拉曼光譜技術將在更多極端條件領域有很大的應用潛力,比如海底海水環境、太空等高溫、高壓環境下的研究。這些研究領域中,拉曼技術都是很好的“候選人”。比如拉曼光譜可以實現更好的“原位”檢測,以探頭形式實現樣品與儀器超遠距離分離操作,從幾厘米甚至到幾米。再比如二十多年前,美國曾將一輛卡車搭建了一個大型可移動的拉曼光譜,采用高能量的激光照射云彩,用大尺寸的反射鏡收集會聚散射光,雖然效率可能不高,但足以體現了拉曼光譜儀可以進行遠距測量的極大靈活性。

    拉曼技術很普及,但很多人沒有把它“用”好

    黄色在线看當下,拉曼光譜技術已經成為一項相對普及的技術,拉曼光譜儀是許多高校院所的基本和標配儀器設備。尤靜林認為,許多人其實只是在“用”儀器,他們沒有對儀器本身或測出來的數據進行更多的思考。目前的狀況,有的實驗室儀器使用頻率很高,許多同行也都去使用,而有的實驗室儀器卻在閑置!其實我們的儀器需要匹配一支隊伍,這支隊伍必須非常熱衷于對儀器的維護建設、對樣品的思考,以及對數據結果的認知、分析與理解。

    國產儀器前景看好,但當下還要努把力

    黄色在线看作為中國物理學會光散射專業委員會副主任委員,尤靜林也談了對國產儀器的看法。每年國內采購進口的儀器金額都以數億元計,且許多儀器品類是進口壟斷的,除了需要花費更高的價格,一些相關科研技術也會受到制約,所以國產儀器必須要成長起來。

    一臺儀器的生產牽涉到原材料、核心部件、各個工藝細節等,是一個復雜的系統過程。所有零部件都采用國產還有很長的路要走。但還是要踏出第一步,我們可以先學習,從一些簡單的做起,比如直接利用國外的部件來組裝,甚至公司設置在國外,實現逐步成長,這些必須要盡快做。

    黄色在线看另外,尤靜林認為國家應該重視重要的科學儀器設備的國產化,應給予大力扶持,比如選擇共性儀器(如拉曼光譜共性就比較大)進行集中力量扶持,培養專門的科研團隊,或配置專業的研究機構,集中力量進行技術攻關及產業化。

    后記

    走出尤靜林教授實驗室,留給筆者印象最深的就是尤靜林教授的堅守與開放,看似矛盾,卻是大智慧。因為堅守,他可以不斷蓄力研究,保持領先;因為開放,他成就了一批又一批專業人才,研究領域后繼有人。相信在尤靜林教授等人的帶領下,我國的高溫拉曼光譜與熔體結構研究定會不斷超越,開拓新的圖景,造福人類。

  • 編輯:楊厲哲
  • [來源:儀器信息網]
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            • 2020/4/5 15:12:52
            • 繼續開心江雪下局
            • Insm_98e54910
            • 2020/4/5 15:12:30
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