深入其“镜”!《晶体结构与缺陷的电子显微分析实验案例》出版

2024-01-25
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晶体之秘,一镜解之

长期以来,材料科学研究一直围绕着材料的结构-性能关系展开。对于绝大多数材料,晶体结构及各类缺陷决定了其性能和使役行为。因此,分析表征材料的晶体结构及缺陷是材料研究的核心内容。自从德国电气工程师 Ernst Ruska 与 Max Knoll 发明了电子显微镜后,经过近百年的不断发展,电子显微术已成为材料晶体结构及缺陷表征最常用、最有力的工具之一,是材料研究不可或缺的重要手段。电子显微术的发展和应用极大地拓展了人们对材料结构的认知,推动了材料科学的迅猛发展,催生了众多的高性能新材料。

“中国相”的发现

1、1946年夏,郭可信从浙江大学化工系毕业后通过公费留学考试,于1947年9月到瑞典斯德哥尔摩的皇家理工学院金相学实验室专攻冶金学,其间主要利用X射线衍射方法研究合金中的相结构。后来逐渐接触电子显微镜,用的是当时瑞典唯一的一台RCA电镜,没有衍射功能。

2、1955年,郭可信用萃取复型法研究合金钢回火初期生成的碳化物,同年11月去伦敦作“δ-铁素体的金相学”的学术报告,并去剑桥大学参观。郭可信用胶膜(萃取)复型观察到几十埃大小的VC颗粒及针状Mo2C,这是V、Mo在钢中产生晶粒细化及析出硬化(或二次硬化)的原因, 于是在1956年写了一篇文章。这是用电镜进行这类研究工作的早期著作。

3、1956年3月, 郭可信看到周总理“向科学进军”的动员令,兴奋不已,4月底乘机经苏联回到阔别九年的祖国,任职于中国科学院金属研究所。之所以来到沈阳工作,与那时金属所有一台苏联人仿制西门子的透射电镜不无关系。

4、1962年中国科学院又分配给金属所一台民主德国产的电镜,仍然不能做电子衍射。郭可信等用它观察到铝合金中的位错运动和交滑移,并在1964年第4届欧洲电子显微学会议上做了展示。1965年金属所又争取到一台日本电子株式会社生产的JEM-150电镜, 用它开展镍合金中位错、层错的衍衬像研究。

5、

6、1967年夏,中国科学院分配给金属所一台之前通过贸易定购的捷克产电镜。郭可信带领其他人居然把这台捷克电镜安装起来,并调试出十几埃的电子显微像。

7、60年代中期至70年代中期, 郭可信亲自在JEM-150电镜上做了些相分析工作,发现M23C6与M6C 都属面心立方晶系。为了得到三维的不同取向电子衍射图,他还和北京分析中心的孟宪英利用她的JEM-100电镜开展了倾斜晶体的实验, 确定了一些含钒矿物的点阵类型, 后来这种技术在国内得以广泛传播。

8、改革开放之后的1980年,郭可信了解到院里准备引进一两台电子显微镜, 随即便去北京争取,并向郁文秘书长立下军令状,保证在电镜安装后三年内做出出色成绩。这样,院里决定为金属所订购一款当时分辨率最高的透射电镜,型号为JEM200CX。郭可信带领研究团队统筹安排诸多研究方向,相继取得了一批具有国际领先水平的研究成果:在四面体密堆晶体(Frank-Kasper相)的电子衍射图中观察到五次对称的强电子衍射斑点,并给予正确的诠释;独立在Ti-Ni合金中发现具有五次旋转对称的三维准晶(被西方学者称为“中国相”);首先发现八次、十次旋转对称的二维准晶;首先发现一维准晶;首先发现具有立方对称的三维准晶,并阐明准晶的必要条件。

9、这些工作将当时中国的准晶研究引领至国际前沿。通过这台电镜完成的研究工作共培养出硕士、博士和博士后共计36名, 其中有2人当选为中国科学院院士。相关研究成果获国家自然科学奖一等奖和四等奖各1项,中国科学院自然科学奖和科技进步奖4项。

10、2000年后,这款已经服役近30年的 JEM200CX基本不能处于正常工作状态了。2016年,金属所把该电镜的镜筒做了解剖,整机摆放在研究生教育大厦(郭可信楼)一楼大厅供学习和参观。

以上图文选自《晶体结构与缺陷的电子显微分析实验案例》一书,更多有关电子显微镜历史发展和科学家精彩故事请详阅本书。

 

回到科学初心,用实验案例探索晶体的奥秘

书名:晶体结构与缺陷的

电子显微分析实验案例

书号:978-7-04-061096-3

作者:马秀良 著

定价:149.00元

出版日期:2024年1月

0内容简介

本书涵盖作者自20世纪80年代末师从郭可信先生起至近年带领研究团队在有关电子衍射方面所积累的主要实验案例,旨在以“案例”的形式梳理电子显微学及晶体学的基础知识,展示如何通过对材料基础科学问题的再认识,从而对经典问题产生新理解,分享发现的乐趣,传授 30 余载的学术经验。

本书主体(第2~6章)按晶体的对称性从低到高依次展开,包括单斜、正交、四方、六方、三方、菱方、立方晶系,涉及周期性晶体14种布拉维点阵中的13种点阵类别以及部分准晶体,共40余种物相。第1章和第7章是科学研究中相关历史事件的精彩片段,不但能引起读者对本领域历代先驱者的无限敬仰,也能激发年轻学者投身于基础科学研究、探索自然奥秘的热情和决心。

本书适合作为电子显微学以及材料相关专业研究生的教学参考书,也可供材料科学与过程领域的科研工作者和从业者阅读和参考。

02作者简介

马秀良,满族,1964年出生于辽宁省东沟县。1988年毕业于大连理工大学材料工程系。曾师从我国著名科学家郭可信先生,在中国科学院北京电子显微镜实验室和大连理工大学从事 AI 基合金中十次对称准晶及复杂合金相的冶金学和晶体学研究,1994年获博士学位,1995—2005 年先后在德国多特蒙德大学,日本精细陶瓷研究中心、东京大学,中国香港城市大学,以及德国鲁斯卡电镜中心等从事固体材料结构与缺陷的高分辨电子显微学研究,2001—2022年为中国科学院金属研究所研究员,先后任沈阳材料科学国家(联合)实验室固体原子像研究部主任(2006—2018),沈阳材料科学国家研究中心材料结构与缺陷研究部主任(2018—2022),金属研究所第十二届学术委员会主任(2019—2022)。现任中国科学院物理研究所研究员、松山湖材料实验室研究员、大湾区显微科学与技术研究中心负责人。

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撰稿:来源:高教学术