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同步辐射及其在无机材料中的应用进展
刘云鹏, 盛伟繁, 吴忠华
无机材料学报    2021, 36 (9): 901-918.   DOI:10.15541/jim20200703
摘要   (1696 HTML95 PDF(pc) (25262KB)(2589)  

同步辐射是环形加速器中做循环运动的高速电子在经过弯转磁铁时, 沿电子轨道切线方向发射的电磁辐射。作为一类平台型科技基础设施, 同步辐射光源对无机材料的研究和发展起到了重要支撑作用。同步辐射实验技术已经成为现代科学技术不可或缺的研究手段, 无机材料研究是同步辐射技术的主要应用领域之一。相对于用于材料研究的常规光源来说, 同步辐射技术研究无机材料有以下优势: 1)获取的数据质量更高; 2)空间分辨和时间分辨的能力更强; 3)原位和材料服役环境更易模拟; 4)多尺度、多方面、多种类的结构信息同步获取; 5)探测新的结构特性更有可能。同步辐射实验技术有助于解决无机材料领域中的一些关键科学问题, 从而极大地推动了无机材料的研究进展。本文首先简要介绍了同步辐射光源的现状, 以及国内现有三个同步辐射装置: 北京同步辐射装置(Beijing Synchrotron Radiation Facility, BSRF)、上海同步辐射装置(Shanghai Synchrotron Radiation Facility, SSRF)和国家同步辐射实验室(National Synchrotron Radiation Laboratory, NSRL)。然后, 从X射线衍射、散射、谱学、成像等四个方面, 列举了同步辐射技术在无机材料研究中的应用实例。最后, 对同步辐射光源和结构表征技术及其在无机材料中的应用进行了总结与展望。



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图4 CaCO3·1/2H2O的高分辨同步辐射X射线衍射图谱及其晶体结构模型[9]
正文中引用本图/表的段落
X射线衍射技术在解析无机材料未知晶相结构方面总是扮演着举足轻重的角色, 特别是同步辐射光源的应用, 基于同步辐射装置的XRD技术已成为包括无机材料在内的各种物质结晶结构测定的首选方法。碳酸钙(CaCO3)是一种在建筑行业常用的无机材料, 也是各种海洋生物骨架和外壳的主要成分。CaCO3不仅在全球碳循环中扮演着重要的角色, 而且在沉积岩的形成中发挥重要的作用。来自德国普朗克胶体和界面研究所的Zou及其合作者[9]在研究非晶碳酸钙结晶过程中Mg2+扮演的角色时, 意外地发现了一个未知物相。已知碳酸钙在环境条件下只存在方解石、霰石和球霰石三种纯CaCO3晶型, 以及一水方解石(CaCO3·H2O)和六水方解石(CaCO3·6H2O)两种水合结晶相。Zou等利用同步辐射XRD技术解析出该未知物相具有单斜结构, 为半水碳酸钙晶相(CaCO3·1/2H2O), 如图4所示。这一发现对生物矿化、地质学和工业过程有重要的意义。
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