訪談——聽黃繼武老師聊聊XRD那些事

黃繼武老師的書

作為接觸過XRD，尤其是使用過JADE的同學，想必對中南大學材料學院黃繼武教授這個名字并不陌生。從最開始寫的關于JADE軟件的使用手冊，到他的書籍《多晶材料X射線衍射實驗原理方法與應用》，給了眾多初學者很大的裨益。受材料人網委托，材料人協會長沙分會的沐沐有幸地訪談到黃繼武老師為我們講講XRD那些事。

材料人網：您是國內著名的XRD專家，那么求學時代是怎么和XRD結緣的？

黃老師：謝謝。談不上著名的專家，XRD是材料科學家的一個重要研究手段，我本人只是在這方面用得比較多，接觸面比較廣泛而已。

我在大學時學的專業是材料物理，材料結構課程的老師是我國知名的XRD學者李樹棠教授。我們現在的本科教材還是使用他老人家所寫的《X射線衍射學基礎》，他講課是慢條斯理，理論講得特別透徹。然后，在后來留校任教的幾十年中，一直使用XRD做材料的結構分析。對于我來說，XRD就是一種科研的手段。當然，30年來隨著X射線技術的發展和計算機技術的發展，我也隨時在跟著學習。總覺得X射線衍射技術的發展速度太快了，應用面太廣了，還有很多沒有學習到。所以，遠遠不是一個什么專家。謝謝。

材料人網：XRD是一項材料結構基本測試方法，您認為學好XRD最關鍵的是什么？
黃老師：謝謝。X射線衍射技術你既可以把它當作一種材料結構的測試手段，通過它來表征材料的組織和結構，你也可以把它看作是一門一直在發展而且還會繼續發展下去的一門跨學科的科學。沒有一門科學技術象XRD一樣有那么多的諾貝爾獲得者誕生。

隨著X射線衍射應用的范圍的擴展，它現在已不僅僅局限于材料研究。實際上，X射線衍射的應用一直都包括材料、晶體、礦物、物理、化學、生物分子、醫藥等領域，現在更加擴展到農業、林業、建筑等廣大的領域。因此，要學習好XRD，首先對物理、化學、晶體學、材料學和礦物學有基本的熟悉，然后，也需要對自己的研究領域有專業的知識。

當然，更重要的是對這一門科學的熱愛。我經常告訴我的學生，在你自己的研究領域，你自己才是真正的專家。

材料人網：按照您的理解，XRD適合于做什么？

黃老師：謝謝。XRD是大材料領域研究的一個必不可少的工具，但它又不象電子顯微分析那樣直觀。XRD的應用于要包括兩個方面，一是對未知物質的晶體結構解析。二是對多相混合物的物相的鑒定，以及對這些物相的組織和結構進行分析。所謂結構分析包括這些物相的晶體結構類型、晶胞大小的測定、以及多相混合物中各種物相的相對含量等等；所謂組織分析主要指晶粒尺寸的計算、微觀和宏觀應力的測量、織構－也就是我們說的擇優取向的測量等等。近些年來，利用XRD對低維材料，如薄膜材料的組織和結構進行分析也是一個熱門。

材料人網：除了基本的分析之外，XRD還在哪些領域得以應用？

黃老師：謝謝。粉末X射線衍射的主要作用是分析樣品中各物相的種類和含量。其它的應用領域還特別多。我真的想不到XRD在哪些方面沒有應用。就我接觸的，新材料研究，新物質的鑒定需要XRD；找礦，選礦、冶礦、材料制備都離不開XRD；建筑設計，機電機械也離不開XRD；地質普查、石油打井、連修高鐵、建壩都離不開XRD；生物材料、吃的糧食、木材改性都離不開XRD。而且在這些方面我都做過相關的工作。

材料人網：您可以推薦一兩本XRD的學習教材嗎？推薦理由是？

黃老師：謝謝。現在市面上各種新版關于XRD的書真的很多。但是，我還是特別推薦李樹棠老師所寫的《晶體X射線衍射學基礎》，這本書現在已經不再版了，但書的第3章和第4章對X射線衍射的理論闡述得非常清楚。實驗方面來說，復旦大學退休教授馬禮敦老師所寫的《近代X射線多晶衍射》一書是畢其一生的經驗——值得一讀，另外，上海交通大學姜傳海教授和楊傳錚教授編著的《材料射線衍射和散射分析》一書對于擴大我們的視野很有幫助。衍射的概念其實不只是X射線衍射，還包括散射，如非晶散射和小角散射，實驗手段來說，還有同步輻射和中子衍射，它們由于其能量足夠高，對于深入樣品內部的結構分析以及磁性能分析具有普通X射線衍射不可比擬的優點。

材料人網：您分別給本科生、研究生開始了與XRD相關的課程，請問這里面教學內容主要有什么不同？

黃老師：在我們學校，本科生、碩士生和博士生都有X射線衍射的相關課程。對于本科生來說，基礎的掌握尤其重要，因此，主要講解衍射的基本原理、方法以及基本應用，例如物相的鑒定和定量分析，XRD譜反映了物質很多方面的信息，只有基礎理論扎實，才可能從譜圖中讀出并解釋這些信息；對碩士生來說，已經有一定的基礎理論和應用經驗。全面地將各種應用的原理、方法和實驗方法介紹給他們是主要目的，通過這一階段的學習，可以全面掌握XRD的各種方法并將其應用到自己的研究中去。作為博士生來說，我們主要是想進一步擴大其應用視野，比如介紹一些特殊的應用，如薄膜方面的應用、新材料研究中的應用實例、同步輻射和中子衍射的一些應用實例介紹給他們，這樣他們可以將XRD應用到更重要的科學研究中。

材料人網：您覺得XRD測試中需要注意的事項主要有哪些，平常學生主要遇到的問題是什么？

黃老師：謝謝。我經常和同學們講的一句話是：多花些時間在數據的測量上面，少花時間在數據的處理上。樣品的準備是實驗成功的關鍵，要達到什么目的就要制備滿足什么要求的樣品，樣品達不到要求肯定是得不到滿意的數據。數據測量參數的設置是成功的重要步驟。不同實驗目的應當采用不同的實驗條件。比如，我們一般測量一個數據只需要幾分鐘，而對于做結構精修的數據，我們往往需要花十幾個小時來測量。有的同學很愿意將時間花在數據的平滑等操作上，我總是告訴我的學生們，這樣的操作是失真的操作，是無意義的工作。

材料人網：國內目前XRD最好的測試設備有哪些？國外最先進的XRD設備呢？能基于您對測試設備的理解點評一下嗎？

黃老師：謝謝。我不想為儀器廠家打廣告，但是，既然問到，我還是就我理解說一說這個問題吧，僅僅是個人見解，不一定正確。國內的衍射儀發展了幾十年，遼寧的丹東是我們國家的儀器儀表生產基地。丹東浩元公司獲得了國家的大力支持，國內包括中科院的十多位知名專家參與進來，做了很大的貢獻，所生產的DX－2700，2800在測量精度、功能和測量速度上都不比國外的一些品牌差，有的學校就有幾十臺，我們學校也有兩臺，使用得特別好。丹東另一個公司，即通達公司也獲得了國家的大力支持，很可能在單晶衍射儀上會有所突破。國內還有一個品牌是北京普析公司的衍射儀，在國內也占有一定的份額。

就國外品牌來說，我所接觸較多的理學公司、帕納克公司和布魯克公司。對他們的產品都比較喜歡。各有優點和長處。比如理學最新產品SmartLab，完全實現了自動識別、自動調整，功能十分齊全，可以滿足粉末X射線衍射、散射、薄膜衍射的所有應用要求。

材料人網：您寫了一本《多晶材料X射線衍射實驗原理方法與應用》，其中主要介紹的是JADE的使用，對于這個軟件，您的評價是？它的優缺點？

黃老師：謝謝。其實我寫這本書的目的，并非要介紹這個軟件的使用。只是，數據的處理必須通過一個軟件來實現。我想要達到的目的是通過這個軟件的使用來比較全面地介紹粉末衍射的各種應用方法。

這樣的數據處理很多，每個儀器公司都配有自己的軟件，比如，理學公司的PDXL2，布魯克公司的EVA和ToPAS，以及帕納克公司的Highscore Plus等我都使用。但是，這些軟件只配在相應的儀器上，不能脫離實驗室應用，在使用上很不方便。而Jade這個軟件是一個通用軟件，對這些儀器所測量的數據都能識別和處理，而且這個軟件的操作界面友好美觀，輸出格式化，很適合初學者。

這個軟件的功能是齊全的，除不能處理織構數據外，基本上包括粉末衍射的功能。特別是應力計算的結構精修功能都包括在內。還有就是，做結構精修時，不需要額外處理原始數據，可以直接通過PDF卡片來讀取晶體結構模型，這是其他任何軟件都不可比的。

它的缺點是對譜圖的擬合太麻煩，很多初學者顯得會用但用得不精，還有就是精修的指標設計和精修精度有待加強。

材料人網：除了《多晶材料X射線衍射實驗原理方法與應用》這本書之外，您還有其他著書想法或者計劃嗎？
黃老師：我確實有這個想法，而且已經做了幾年的工作，我現在一邊教課，積累教學經驗，一邊在準備寫一本涵蓋X射線衍射基本理論和最新實驗手段的教材，以使教學內容不太滯后于發展的需要。我希望我寫出來的東西是容易讀懂的，而且是實用價值的。謝謝。

材料人網：對于有志于研究及從事XRD相關工作的學子，您有什么話想說的嗎？

黃老師：謝謝。我發現兩個很好的現象，一是大學一畢業就從事XRD相關工作的年輕人特別多，而且越來越多，二是這一群年輕人中懂相關技術的也特別多，而且越來越多。要用好XRD，知識的掌握和運用非常重要，材料的各種性質都可以通過結構和組織的變化來表征；另一點來說，使用經驗的積累也很重要。比如最簡單的物相鑒定，并非掌握了XRD的基本理論就可以了，要真正做到“看圖識譜”，還需要一定工作經歷的沉淀和積累。最后一點就是擴大各專業領域的基本知識。XRD的應用不只局限于某一個領域，比如，雖然你可能出身于金屬材料這個門，但你應當對一些礦物生成知識、物理學和化學分子構成知識以及生物分子相關知識都應當有所了解。

感謝黃老師的精彩回答。

材料牛編輯整理。