溶液小角散射技术在软物质研究中的应用与展望※

溶液小角散射实验方法是表征溶液体系多尺度时空结构的研究利器, 在软物质研究领域已得到广泛应用. 溶液小角散射包括X射线散射和中子散射, 可以在纳米到微米空间尺度以及毫秒时间尺度对溶液软物质微观结构进行表征. 微纳尺度结构与研究对象的宏观性能密切相关, 利用同步辐射X射线小角散射高通量、快速时间分辨以及中子小角散射无损、深穿透性的特点, 可以在不同环境变量下系统研究软物质体系的纳米结构及演变过程. 系统介绍了溶液小角散射实验方法的发展现状以及溶液小角散射的基本原理. 结合典型的应用案例, 展望了溶液小角散射技术的发展趋势及其在软物质领域研究中的应用前景.     

小角中子散射技术及其在大分子结构表征中的应用

小角中子散射(SANS)是一种表征从纳米到微米尺寸物质特征结构的有力工具,配合中子的强穿透性和同位素辨识等特性,在软物质大分子结构表征方面发挥着独特的作用.随着中国散裂中子源(CSNS)在2018年正式对外接受机时申请,国内SANS用户群逐年扩大.本文首先简要介绍小角中子散射技术的基本原理、谱仪结构和实验技巧,然后紧扣小角谱仪的特点和方法学方面的最新进展,介绍小角中子散射在高分子溶液、高分子共混物和复合材料、高分子结晶、凝胶、多孔材料、生物大分子等研究领域的结构表征方面的典型应用.小角中子散射和其他表征手段,如小角X射线散射(SAXS)相互紧密配合和补充,成为连接大分子内部多相多尺度的微观结构和宏观性的桥梁.     

中子散射技术在化学研究中的应用

中子散射在化学、软物质、基础物理、地球科学、工程等领域应用广泛,在不同领域的科学探索过程中发挥了关键作用.中子具有不带电荷、穿透能力强、对轻元素敏感、能够进行无损检测等特点.一方面,弹性中子散射在氢元素富集的化学材料体系、高分子体系、生物大分子等体系的结构研究中独具优势;另一方面,非弹性中子散射测量的能量、散射矢量范围与这类材料体系的时间、空间尺度吻合,非常适合化学过程的动力学研究.本文将通过结合中国绵阳研究堆(CMRR)中子散射平台上的应用实例,重点介绍国内外利用小角中子散射、中子反射、中子衍射、非弹/准弹性中子散射等代表性技术在化学反应机理研究、溶液中的化学过程、高分子化学、生物化学、材料化学、核化学和放射化学等领域的典型应用及前景.     

原子间相互作用对无序大分子结构和动力学影响的中子散射研究

不同单体在原子尺度的相互作用使得不同大分子体系在微观、介观的多尺度复杂结构及动力学行为有明显差异,从而进一步影响了体系的宏观性质.联用中子散射和计算机模拟,利用相同分子量和分子量分布的氘代大分子与氢化大分子具有相同分子结构、不同中子衬度,以及中子散射和计算机模拟宽广的时间、空间观察尺度,我们可以得到无序大分子体系最可几全原子结构,进而分析其从原子到纳米的多尺度空间结构,与从皮秒到微秒的多模式动力学行为的成因.近年来,我们使用该方法,从小分子到大分子的稀溶液、溶胀体系,从大分子熔体到玻璃态,成功分析了原子间相互作用对不同空间尺度结构和跨时间运动模式动力学行为的影响.本文介绍了这些典型的例子,希望将该方法推广到更广阔的研究领域,把大分子原子结构的多样性与多尺度的复杂结构和动力学有机地联系起来.     

锂电池原位与非原位表征技术研究

锂电池的电化学性能与电子及离子在体相与界面的输运、反应、储存行为有关. 从原子尺度到宏观尺度,对电池材料在平衡态与非平衡态过程的电子结构、晶体结构、微观形貌、化学组成、物理性质的演化研究对于理解锂离子电池中各类构效关系至关重要,这需要综合多种原位与非原位表征技术. 目前,基础研究处于前沿的发达国家在这些方面取得了卓有成效的进展. 本文简介了中国科学院物理研究所近年来通过国内外合作,采用原位X射线衍射（in-situ XRD）、原位X射线吸收谱（in-situ XAS）、准原位/原位扫描电镜（quasi/in-situ SEM）、球差校正扫描透射电镜（HAADF/ABF-STEM）、扫描力曲线（Force-Curve）、中子衍射（Neutron Diffraction）、热重-差示扫描量热-质谱联用（TG-DSC-MS）、表面增强拉曼（SERS）等技术研究锂离子电池电极材料结构演化方面的进展,并对未来锂离子电池研究中先进表征技术的发展进行了简要的探讨.     

小角X光散射在蛋白质及其复合物领域的研究进展

小角X射线散射(SAXS)是能够表征多种形态的样品,解析从原子到几百纳米尺度上微结构的一种重要技术手段.蛋白质复合物正是在这一空间尺度范围表现出了丰富的生理活性.近年来基于分子结构药物设计的飞速发展,极大地促进了SAXS在研究蛋白质复合物中的应用.本文简要介绍了SAXS解析结构的原理、仪器设备和数据采集分析方法.围绕蛋白质复合物的两方面研究热点,溶液中的蛋白构象以及蛋白质复合物中的结构和相互作用解析,对SAXS在该领域的研究进展和一般分析方法进行了综述.     

小角X射线散射技术在高分子表征中的应用

小角X射线散射(SAXS)技术是表征高分子材料微观结构的一种重要手段.当X射线穿过材料时,在材料不均一的电子云密度分布作用下,发生散射并形成特定的散射图案,使得我们可以根据特定的模型来反推材料的微观结构,并计算相关结构参数.SAXS特有的对微观结构的统计平均及无损探测使其成为了一种不可或缺的高分子材料微观结构分析手段....     

同步辐射在分子自组装研究中的应用

同步辐射是一种高亮度、高准直性、宽频谱的优质光源,其在物质原子或分子尺度的结构表征方面具有独特的优势。本文介绍了同步辐射在分子自组装研究中的一些应用,主要包括同步辐射X射线散射、时间分辨的小角X射线散射、时间分辨的X射线衍射、X射线精细结构谱,以及红外光谱,详细阐述了同步辐射X射线散射在层状结构、管状结构以及溶液中的组装体结构表征方面的应用。     

遥爪型液体共聚物的研究——端乙烯基四氢呋喃-环氧丙烷液体共聚醚与苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯共聚体系

<正> 多相高聚物体系是目前广为研究的重要课题。其互容性是研究设计多相高聚物材料的基础。互容性概念源于小分子体系,由于高聚物体系有其特殊性,所以在高聚物互容性研究中,发现完全分子尺度互容的高聚物较少。分子互容性的表征以小角中子散射和低频介电松弛最为有效。但通常用玻璃化转变T_g衡量互溶性。不同测定T_g的方法可得到不同的互容结果。     

硼团簇及其材料化学研究进展(Ⅰ):硼墨烯

位于元素周期表中的第五位元素硼,其丰富的化学结构和多样的成键方式仅次于有机化学和生物科学中的核心元素——碳元素.硼的缺电子性质导致其必须通过多中心键的方式共享电子以平衡体系的电子分布,因此硼团簇多具有独特的几何结构和电子离域的成键特性.近年来,硼团簇及其材料的研究越来越受到人们的重视,并取得了一系列研究成果.通过实验和理论计算,发现小尺寸的硼团簇多具有平面结构.2014年,王来生与李隽两个研究团队合作发现了中心含六元环孔的平面B_(36)~-团簇并由此提出了硼墨烯(borophene)概念,为二维硼材料的发展提供了新的研究方向.最近中美科学家同时在金属衬底上合成了单层硼墨烯,使得二维硼材料备受关注.鉴于硼的缺电子特性,可以借助于金属掺杂等方式形成各种不同的金属硼化物结构.具有完美平面结构的CoB_(18)~-团簇以及准平面的RhB_(18)~-团簇的发现推动了金属掺杂硼墨烯(metallo-borophene)研究的发展.本文从实验和理论两个方面,对具有平面或准平面结构的纯硼团簇、金属掺杂硼团簇、二维无限延伸硼墨烯材料等进行了介绍和总结,并展望了硼团簇二维材料的研究前景和潜在应用.     

纳米无机粒子/聚合物复合材料界面结构的研究

纳米粒子具有许多特性,聚合物中加入纳米粒子可以制备得到性能更加优异的复合材料,其中纳米粒子和聚合物基体间的界面对决定纳米复合材料的性能起着重要作用.本文综述了近些年来表征纳米无机颗粒/聚合物复合材料中界面结构的研究手段,如红外光谱(FTIR)、热重(TGA)、电子显微镜、小角中子散射(SANS)及小角X射线散射(SAXS)等,及界面结构与复合材料力学性能和热稳定性关系的研究进展.同时也介绍了纳米粒子对复合材料的渗透、光催化、阻燃、介电及导电性能的影响.最后对这一领域的研究进行了展望.     

线性低密度聚乙烯流延膜取向与阻隔性能关系研究

采用广角X射线衍射(WAXD),小角X射线散射(SAXS)和小角激光光散射(SALS)系统地表征了线性低密度聚乙烯(LLDPE)流延膜以及加入成核剂HPN-20E的LLDPE流延膜的多层级凝聚态结构,并研究晶体取向分布与流延膜阻隔性能之间的关系.未加成核剂的流延膜内PE晶体的主要取向为b轴在TD-ND(流延膜横向-垂直...     

电子束敏感材料的原子尺度结构研究

分子筛和金属有机骨架(MOF)材料以其独特的孔道和骨架结构在催化、 储能、 干燥及净化和吸附分离等领域有着广泛应用, 对其结构的原子尺度表征对于深入理解其构效关系具有重要意义. 但其大孔道结构和有机骨架使得它们对电子束辐照极为敏感, 在常规透射电镜成像模式下结构会很快被破坏变为非晶, 从而无法获得孔道和骨架的原子排列信息. 最近发展起来的基于积分差分相位衬度扫描透射电子显微(iDPC-STEM)技术在电子敏感材料和轻元素组分成像方面展现出明显优势, 使得对多孔骨架材料及烃池物种的表征成为了可能. 本文综述了本课题组近期利用该技术对分子筛和MOF材料原子尺度结构方面的研究. 将iDPC-STEM技术应用到ZSM-5分子筛催化剂中, 实现了对该分子筛的原子级骨架结构的成像分析. 在MOF体系中, 利用该技术观察到MIL-101骨架内部有机连接体与金属节点的配位方式, 在此基础上解析了MIL-101结构中有机配体的连接和金属节点的苯环结构, 并观察了MOF的原子级表面、 界面和缺陷等局域结构特征. 最后对iDPC-STEM技术在原子尺度成像方面的应用潜力进行了总结与展望.     

聚芴类共轭聚合物(PFs)从溶液到薄膜凝聚态演变过程中的定量构效关系

聚芴（polyfluorenes，PFs）是一类具有高荧光效率和良好热稳定性的经典蓝光共轭聚合物.本研究组近年来集中于聚芴类共轭聚合物溶液中单链构象-聚集态结构-薄膜凝聚态结构-器件性能间的定量构效关系研究，利用静/动联用激光光散射等表征手段，结合标度率研究方法，对PFs成膜前体溶液复杂的单链和聚集的形态结构进行了系统的研究.结合光谱与电镜等方法，揭示出PFs在溶液中孤立单链、凝聚态结构、β构象及其过渡态结构形成的动力学过程、机理及规律，构建出成膜前体溶液单链构象-薄膜中链构象-器件性能之间的定量构效关系.旨在从高分子本征性质入手，提高其光电效率.本研究不仅对聚芴类高分子，而且对整个共轭聚合物类材料的设计与加工都将具有重要的指导意义.     

《生物质材料现代分析技术》

(ISBN 978-7-122-09316-5)该书系统地介绍了现代分析技术在生物质材料结构分析中的应用,主要内容包括傅里叶变换红外光谱、核磁共振谱、X射线光电子能谱、凝胶渗透色谱、电子自旋共振谱、气相色谱-傅里叶红外光谱联用、X射线衍射、激光小角散射、扫     

同步辐射小角和广角X射线散射在高分子材料研究中的应用

同步辐射X射线散射是研究高分子材料不可替代的重要工具。第三代同步辐射光源—上海光源的成功建设,标志着我国进入国际先进光源俱乐部,为我国高分子材料研究大发展提供了一个契机。本文结合作者和国内外同行的工作,以具体案例的形式介绍了同步辐射小角和广角X射线散射在高分子材料研究中的一些应用,阐述了同步辐射高亮度原位在线研究高分子材料结构形成和演化动力学以及结构与性能关系的独特优势。同时介绍几种自主研制的原位装置和常用的X射线散射数据处理方法。希望本文能起到抛砖引玉的作用,吸引更多的高分子研究同行利用同步辐射开展研究。     

深共熔溶剂热合成共轭配体修饰锆/钛氧团簇

<正>金属氧簇化合物属于晶态分子材料,可以通过X射线单晶衍射分析获得精确原子结构,以帮助我们理解结构与性能之间的构效关系规律。特别是钛氧团簇,作为二氧化钛材料的重要模型化合物,近年来吸引了广泛的研究注意力~(1–4)。但是,这类高价金属离子极易水解,而金属氧簇簇核的生长又需要大量的氧桥,这就使其合成具有较高难度。目前常用的合成策略包括溶剂热合成、强酸水     

原子尺度钴基氮碳催化剂对析氧反应的构效关系的研究（英文）

理解析氧反应(OER)电催化剂活性位点的活性来源是开发高效电催化剂的关键。然而,由于催化剂结构-活性关系的复杂性,发展高效电催化剂仍然是一个至关重要的挑战。本文设计了不同Co-N-C催化剂构型,包括单原子、双原子和团簇,并通过第一性原理计算建立了析氧反应构效关系。结果表明,Co-N₄由于金属中心的高配位数和与所有析氧反应中间体的适中吸附能,表现出最佳反应性,过电位为0.37V。双原子和团簇的活性来源于催化剂自身与反应中间体相结合的高度配位结构。此外,本文基于Co-N₄构型讨论了影响OER活性的其他因素,其中弱金属-金属相互作用可以通过调节Co-O的反键能级优化含氧中间体的吸附降低反应过电位。随后,根据建立的结构-吸附-活性关系,对火山图进行外推,得到CoNi-type4体系OER的过电位为0.23V。本文研究揭示了Co-N-C催化剂OER活性的起源,建立了基于原子尺度的Co-N-C催化剂的构效关系,有助于理解M-N-C基催化剂的高性能,并促进高效OER催化剂的设计。     

碳团簇的结构及其演进

碳团簇是一种新型的碳材料,自20世纪80年代被发现以来,就以其独特的结构和优越的性能而在科学界掀起了研究狂潮。碳团簇的范畴非常广泛,小到气相中的单个碳原子,大到富勒烯、碳纳米管、碳纳米锥、石墨烯等都可以看作是碳团簇的存在形式。研究碳团簇的结构及其演进,解开碳团簇形成机理之谜,对开拓新型碳团簇材料的结构和应用都具有重要意义。本文对碳团簇的结构及其演进过程进行了回顾,并概述了目前碳团簇的合成方法、碳团簇结构的表征手段以及碳团簇演进的研究现状。     

碳纤维微观结构表征方法

碳纤维作为高性能纤维的一种,是先进复合材料最重要的增强材料,碳纤维的微观结构是决定其性能的主要因素。综述了碳纤维微观结构的表征方法,主要包括表面形貌、形态结构、化学结构、晶态结构和孔结构。碳纤维表面形貌表征主要通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM);形态结构主要采用透射电镜(TEM)来表征;化学结构表征主要依靠拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS);晶态结构和孔结构分别采用广角X射线衍射(WXRD)和小角X射线散射(SAXS)来分析,这为研究分析如何得到高性能碳纤维提供了参考。