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近30年的坚守,高温拉曼光谱与熔体结构研究走在国际前沿——访上海大学尤静林教授

蓝冠信息网 2020/04/03 09:35:56 点击 3760 次
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[导读] 蓝冠信息网特别走进尤静林教授实验室,请他回顾了与高温拉曼技术、熔体结构研究相伴近三十年的故事,并谈论了对国产仪器技术与应用现状的一些看法。

高温拉曼光谱技术作为拉曼技术之一,为高温工艺过程、地质学和材料制备等领域的结构研究与应用提供了一种新的原位检测手段,因此,越来越受到业界重视。

在这一研究领域,有一个“标签”人物必须一提,那就是省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室常务副主任、上海大学材料科学与工程学院教授尤静林。尤静林教授在国内较早地开展了高温拉曼光谱技术的研究与应用,尤其结合熔体结构研究等方面填补了国内空白,达到国际前沿水平。

近日,蓝冠信息网特别走进尤静林教授实验室,请他回顾了与高温拉曼技术、熔体结构研究相伴近三十年的故事,并谈论了对国产仪器技术与应用现状的一些看法。

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访谈中的尤静林教授

谈科研:相伴近三十年,高温拉曼技术与熔体结构研究

高温熔体结构研究填补国内空白

尤静林团队科研工作主要包含仪器检测技术及高温熔体结构研究两方面。仪器检测技术包括原子光谱、拉曼光谱,涉及一些辉光放电光谱、原子吸收和发射光谱、红外光谱等,主要精力集中在极端条件的分子检测方法,比如高温拉曼光谱技术。高温熔体结构研究则集中在研究高温条件下,无机熔体在熔融状态下的结构状态。

国内从事高温熔体结构研究的人员并不多,冶金、地质及晶体学领域研究人员略有涉及,但也只是理论研究或实验室检测,涉及到熔体结构层次的研究比较少,可以说尤静林团队的研究工作填补了国内熔体结构研究领域的这一空白。

熔体液态结构研究同样具有重要意义

尤教授认为,高温熔体在液态条件下,具有丰富的结构,对这些结构的研究非常有意义,显然,物质在高温液态下的结构比在固态结构要复杂得多。

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熔体结构与性能研究实验室

以冶金领域为例,炼钢实质是炼渣。钢铁产品中不需要的杂质,可以通过炉渣吸收,借助化学反应或化学平衡去除杂质,也可以通过化学平衡,在金属液中添加一些有益元素,最终改善钢铁产品的成分和质量。所有这些操作都是在高温状态下进行的,所以有必要在熔体中对炉渣进行相应研究,这就需要使用高温拉曼技术手段了。

不止冶金领域,熔体结构研究涵盖诸多领域,尤静林团队和其他领域研究者有着广泛合作,比如地质领域方面,与中国地质大学的莫宣学院士团队合作;晶体学领域方面,与中科院北京理化技术研究所吴以成院士、中科院上海硅酸盐研究所仲维卓研究院、研究所山东大学于锡玲教授、中科院合肥分院物质结构研究所殷绍唐研究员等合作。 

对高温拉曼光谱技术近三十年的坚守

尤静林与高温拉曼的结缘要追溯到27年前:1993年,上海大学材料科学与工程学院采购了第一台拉曼光谱仪——HORIBA的U1000 ,1994年,巧合之下,刚留校不久的尤静林负责了这台仪器;1998年,在当时还没有ICCD情况下,尤教授使用类似ICCD原理但自己搭建的“组合装置”,在这台U1000上测出了摄氏1750度的高温拉曼光谱。

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尤静林教授演示高温拉曼检测操作

一路走来,尽管感兴趣和从事高温拉曼光谱技术研究的科研人员不算少数,但能坚持下来的却并不多。这是因为,实验中一旦涉及较高温度,对实验仪器、条件等的稳定性要求都会比较高,此外科研工作者操作难度也会大大增加。常温条件下,做实验若出现问题,通常可以不考虑时间,多做几遍即可,但高温条件下,如果高温炉或电脑出现一点问题,都会导致系列实验戛然而止,而实验中断后,一切实验条件可能都要重新再做,这对于长期伏案于实验室的科研工作者来说是很崩溃的。另外,高温拉曼在实际应用中也会遭遇很多麻烦,比如黑体辐射背景干扰,样品高温挥发导致观测过程像“戴着眼镜进浴室”,视野模糊不清,加热炉炉丝损耗的高成本等挑战。

在这样的科研背景下,尤静林教授始终保持着一位纯粹的科研人的本色,不畏艰难,执着坚守,默默深耕近30年,让人感佩。

谈技术:不简单的高温拉曼

高温拉曼光谱技术发展与应用

尤静林团队是国内最早一批从事高温拉曼相关研究的科研人员,当时俄罗斯、美国、法国等也同时开展了相关研究工作。国际上,是尤静林团队首次将ICCD (增强型电荷耦合装置)探测器与高温拉曼结合的。ICCD具有电子开关作用,可以同步脉冲激光的步调,有脉冲时,电子开关同步打开接受信号;没有激光脉冲时则关闭,这样就大大提升了拉曼光谱信号,削弱了黑体辐射,起到去除黑体辐射背景干扰的作用。

谈到ICCD与高温拉曼的结合,尤静林回顾了与HORIBA成功合作的往事。2003年,尤静林看到有关原子光谱与ICCD结合的技术后,产生了将高温拉曼光谱仪与ICCD结合的想法,并转达给HORIBA,希望其能做技术尝试。几个月后,HORIBA法国尝试成功,尤静林也很快选购了ICCD,同时在2004年又采购了HORIBA第二套光谱设备(HR800)。

    有了ICCD的助攻,配合纳秒级脉冲激光,确保了检测的稳定和便捷,结合了多个不同功能的高温热台,使该技术迅速应用在包括硅铝酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟铝酸盐等多种高温无机熔体或熔盐的拉曼光谱温致结构变化实测和反应过程原位跟踪研究中,成为高温熔体结构重要和有效的实验验证手段。

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ICCD和拉曼光谱HR EVOLUTION联用

尤静林表示,高温拉曼光谱技术应用面很广,比如高温熔融状态下,核反应堆研究对拉曼等检测手段需求呈上升趋势。结合拉曼共焦技术,利用空间分辨能力,成为应用于高温熔体晶体生长边界层的一支利剑,具有比其它方法如高温X-射线散射技术和核磁共振谱的显著的优势。还有如焦炭制备过程、地质岩浆探测等,相比以往冷却下来再观测,高温原位观测则可以实时真实地研究其结构及其变化过程。

为何要使用高温拉曼技术?“高温”与常规拉曼区别?

尤静林表示,许多使用拉曼光谱技术的科研人员都会涉及到变温拉曼的需求,比如说300度、500度、800度、1000度,有的甚至是1500度。变温时,如果是温度低于摄氏1000度,那目前常规拉曼光谱仪完全可以胜任。但如果超过摄氏1000度,常规的拉曼光谱仪就有了自身局限性。

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拉曼光谱HR evolution的2种加热台

出现局限性是什么原因呢?当温度超过1000度时,高温黑体辐射背景,就会成为一个压倒性的强光背景,把拉曼信号掩盖掉。这样就无法采集到拉曼信号。所以我们非常需要研发出一种技术手段,能够把强大黑体辐射背景去除并提取出拉曼信号,这是高温拉曼技术的核心所在。

相比高温核磁、高温XRD等,高温拉曼的技术优势?

针对高温液态熔体结构的,除了高温拉曼光谱技术,还有高温X射线散射技术和高温核磁共振谱等,但相比之下,高温拉曼技术有哪些优势?

尤静林表示,高温X射线散射也可以实现原位测量,温度也能做到摄氏1500度甚至1600度。但它获取的信息量比较有限。对于熔融无序态,高温X射线散射可以给出第一近邻的键长、化学键、配位数等信息,再远的位置很难再获取其它有效信息。虽然通过统计方法可以拟合一些宏观性质,但对于理解熔体微观结构还远不够。

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尤静林教授讲解随笔

高温核磁共振技术的弱点在于,当样品熔融到了液态时,该技术对结构捕捉的灵敏度就很差,会将液态的快速动态结构信息平均化,所以测到的信息实际上是被扭曲了,信息量就大打折扣。

而高温拉曼光谱技术却是一种较有效的方法。它不仅可以获取键长、配位数信息、不同配位数的团簇信息,以及通过定量获得对应的微结构种类含量等,还可以提供更丰富的结构信息,对理解熔体结构和进行相关计算机结构模拟比较研究等提供更多可能。

计算机模拟技术不可少

由于熔融结构的高温拉曼技术研究开展较早,对应的拉曼光谱没有可以参考的数据库,尤静林团队便不得不同时开展了“解释”谱图的工作——计算机模拟。尤静林团队利用工作站,通过分子动力学方法、从头计算分子动力学和密度泛函理论等方法进行结构模拟和光谱模拟,用以比较解读实测的拉曼光谱,二十多年的实践,计算机模拟方面的工作也获得了很好的效果。同时,尤静林团队还开发出了结构和光谱模拟方法,也与许多合作单位开放共享。

谈实验室:仪器设备、教书育人那些事

科学仪器助力研究功不可没

科研成果离不开先进科学仪器的助力,而尤静林教授对实验室那些仪器设备都有着深厚的感情。比如实验室的首个ICP是1993年采购,使用16年后,2009年扩大规模才买了第二套ICP,第二套使用到现在也已经10余年,仪器状态却维持相当好的状态。

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实验室先后采购的三台HORIBA拉曼光谱仪(左至右:U1000、HR 800、HR evolution)

说起拉曼光谱,尤静林教授更是如数家珍。实验室先后在1993年、2004年、2019年采购了三台HORIBA的拉曼光谱(涵盖了HORIBA拉曼产品的三代logo)。尤静林表示,第一台拉曼光谱U1000的光栅依然保持得很好,近期计划把它更新一下,再重新使用起来。另外两台拉曼光谱仪都在正常使用中,尤其2019年安装完毕的HR evolution,配置了最新一代ICCD,十分便捷高温条件下的测试。配置卤素灯热源,理论上温度可以达到摄氏1800度,常规在1700度左右。对于更高温度的测试要求,比如核反应堆相关实验,实验室正在制作气旋的悬浮样品装置,利用激光加热可以达到摄氏2000度以上。

主张团队新人从“经营”实验室开始

作为一名老师,尤静林教授对学生教导有方,关爱有加,因此,他在学生中有着很高的口碑。

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实验室一角

尤静林经常对刚进团队的博士、硕士同学们说,进入团队先不要忙着学东西,而要先走进实验室,在实验室“沉浸”一段时间,不做事情没关系,关键是要多问多看多观察,多向师哥师姐请教。在这样的氛围中“沉浸”一两个月,新人就能渐渐融入实验室的环境氛围,就会熟悉和理解许多实验细节和习惯,学会沟通交流,增强实验操作的自信,渐渐在科研工作中独当一面。

主张开放,给学生更多成长空间

尤静林很珍惜师生缘分,在学习生活中,一直努力让学生获得最好的发展。

尤静林向蓝冠信息网回顾了两个硕士生的故事。当时团队有两个硕士生都很努力,也十分优秀,尤静林为鼓励二人继续硕博连读,主动承担了他们博士期间三年的学费。两位学生也没有辜负尤静林的期望,顺利博士毕业,获得优秀成果,并继续从事博士后研究工作。回想起这件事情,尤静林十分愉快,虽然学费都是从自己工资中拿出来,但觉得十分值得。因为一方面成就了学生,另一方面也发展了自己的团队,科研工作也获得了良好的推进。尤静林教授认为,为人为师,不要计较太多,老师开放一点,给学生更多发展空间,让其获得成长,其实师生都能受益。

谈观点:拉曼技术大有可为,国产仪器还要努把力

拉曼光谱技术未来大有可为

关于拉曼技术的未来发展趋势,尤静林谈了三个方面的发展:

首先,拉曼光谱技术的分辨率会越来越高,向近场发展。这将测试不断推向一个更小的空间;还可以通过与其他检测方法结合,使空间分辨率进一步提升。

其次,超快速扫描。减短扫描时间是一个很大优势,比如实验现场测试量较多时,提高扫描速率,所获得的有效信息量会大大提升,从而提高了信息的层次。

最后,拉曼光谱技术将在更多极端条件领域有很大的应用潜力,比如海底海水环境、太空等高温、高压环境下的研究。这些研究领域中,拉曼技术都是很好的“候选人”。比如拉曼光谱可以实现更好的“原位”检测,以探头形式实现样品与仪器超远距离分离操作,从几厘米甚至到几米。再比如二十多年前,美国曾将一辆卡车搭建了一个大型可移动的拉曼光谱,采用高能量的激光照射云彩,用大尺寸的反射镜收集会聚散射光,虽然效率可能不高,但足以体现了拉曼光谱仪可以进行远距测量的极大灵活性。

拉曼技术很普及,但很多人没有把它“用”好

当下,拉曼光谱技术已经成为一项相对普及的技术,拉曼光谱仪是许多高校院所的基本和标配仪器设备。尤静林认为,许多人其实只是在“用”仪器,他们没有对仪器本身或测出来的数据进行更多的思考。目前的状况,有的实验室仪器使用频率很高,许多同行也都去使用,而有的实验室仪器却在闲置!其实我们的仪器需要匹配一支队伍,这支队伍必须非常热衷于对仪器的维护建设、对样品的思考,以及对数据结果的认知、分析与理解。

国产仪器前景看好,但当下还要努把力

作为中国物理学会光散射专业委员会副主任委员,尤静林也谈了对国产仪器的看法。每年国内采购进口的仪器金额都以数亿元计,且许多仪器品类是进口垄断的,除了需要花费更高的价格,一些相关科研技术也会受到制约,所以国产仪器必须要成长起来。

一台仪器的生产牵涉到原材料、核心部件、各个工艺细节等,是一个复杂的系统过程。所有零部件都采用国产还有很长的路要走。但还是要踏出第一步,我们可以先学习,从一些简单的做起,比如直接利用国外的部件来组装,甚至公司设置在国外,实现逐步成长,这些必须要尽快做。

另外,尤静林认为国家应该重视重要的科学仪器设备的国产化,应给予大力扶持,比如选择共性仪器(如拉曼光谱共性就比较大)进行集中力量扶持,培养专门的科研团队,或配置专业的研究机构,集中力量进行技术攻关及产业化。

后记

走出尤静林教授实验室,留给笔者印象最深的就是尤静林教授的坚守与开放,看似矛盾,却是大智慧。因为坚守,他可以不断蓄力研究,保持领先;因为开放,他成就了一批又一批专业人才,研究领域后继有人。相信在尤静林教授等人的带领下,我国的高温拉曼光谱与熔体结构研究定会不断超越,开拓新的图景,造福人类。

[来源:蓝冠信息网]  未经授权不得转载
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编辑: 杨厉哲
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