新材料火热带动表面分析技术发展 智能化/原位/联用是未来发展趋势——ACCSI2024访北化研究员程斌

“第十七届中国科学仪器发展年会（ACCSI2024）”于2024年4月17-19日在苏州狮山国际会议中心盛大召开。ACCSI定位为科学仪器行业高级别产业峰会，经过多年的发展，已被业界誉为科学仪器行业的“达沃斯”论坛。ACCSI2024 以“融合创新，质领未来”为主题，吸引了来自“政、产、学、研、用、资、媒”等各方的高端人士共计1500余人参会，共同探讨科学仪器行业的前沿趋势与发展机遇。

年会现场，仪器信息网特别采访了北京化工大学研究员程斌老师。访谈中，针对高分子材料的表征方法、表面分析的定义、表面分析技术当前的应用现状，以及表面分析技术未来的发展前景等话题进行了深入的探讨。

仪器信息网：您的研究方向包括高分子材料合成、表征、改性等，高分子材料的主要表征手段有哪些?这些手段目前应用情况如何?

程斌老师：我是从事高分子材料的合成、表征，以及高分子材料改性的。高分子材料的表征方法一般分为两类：一类是结构表征，一种是性能表征。

那么结构表征有三个层级：一级结构、二级结构、三级结构。一级结构就是要知道高分子材料是由哪些元素组成的，对应的方法一般就是大家熟知的红外光谱、核磁共振等。二级结构是高分子材料有别于其他材料的，因为高分子材料层级的尺寸比较大，一般用相对分子质量的大小来表征分子尺寸的大小，常用的表征方法就是色谱——体积排除色谱（SEC），国内称为GPC，也就是凝胶渗透色谱。分子尺寸大小是很重要的一个结构，它决定了高分子材料的性质。举个例子，如聚乙烯是最常见的一种高分子材料，像日常生活中看到的盆、盒子等物品，很容易就把它摔碎了，这些分子量大概就是几万到十几万。但是如果上了百万以后，就会形成一种高分子材料——超高分子量聚乙烯，这种材料的性能远超过聚乙烯，其坚韧度极高，几乎无法被剪切或刺穿，可以做防刺手套等。

第三个层面就是常说的三级结构或者织态结构，通常具有一定的性能。常规的表征方法就是结晶表征，如XRD等。因为它有了性能，还可以用一些性能的方法来对它进行表征，比如热性能以及光散射的性能等。

除了结构表征以外，就是性能表征。首先必须进行结构表征，因为它决定了性能。性能表征常见的是力学性能，也就是机械性能。常用的就是机械性能分析仪或者叫万能试验机，这个就能把大部分的机械性能表达出来，比如拉伸性能、压缩性能等。还有一个冲击性能机，可以把冲击性能、韧性表达出来。除了这些以外，还有热性能、光性能以及磁性能，因为高分子材料是功能性材料，所以强调各种功能性的表达要更多。

其中热性能有一个是高分子材料独有的——玻璃化温度，它决定高分子材料的使用，当然其他材料也有玻璃化温度，但不是很明显，不是起决定作用的。表征方法有几种方式，如差示扫描量热法（DSC）、热机械分析等。

仪器信息网：您在材料表面与界面分析方面开展了很多工作，请谈谈材料表面与界面分析的定义?表面分析方法对于材料科学的重要意义?

程斌老师：一般把气体和液体、气体和固体的界面称为表面，表面是一个过渡区，在宏观上来看好像是一个界面，但微观上来讲，就是个过渡区。另一个定义是表面大概就是10个纳米尺度，这个是在科学界和业界普遍接受的，包括在一些国际组织里面也认为10个纳米以下的称为表面。

之所以要进行表面分析，是因为表面的性质是由表面组成决定的，表面性质又和别的本体性质是完全不一样的，所以要进行表面分析。近年来，新材料领域的迅猛发展促进表面分析技术的进步。这些新材料不仅强调高性能、功能化和智能化，更在微观尺度上展现出前所未有的复杂性。随着材料尺度逐渐缩小至纳米、原子甚至分子级别，表面问题变得愈发突出。这些表面现象不仅影响着材料的整体性能，还直接关系到其在实际应用中的表现。

仪器信息网：表面界面分析方法主要包含哪些表征技术?这些技术目前的应用现状如何?中国应用水平、仪器技术水平如何?

程斌老师：表面分析和材料分析也是一样的，也是两部分，一部分是结构分析，一部分是性质和性能分析。

表面分析和材料分析相比，还是有很大挑战性的，因为表面是纳米级的，非常薄且无法分离出来，所以在表面分析表征方法的发展过程中，解决了很多问题，甚至得过诺奖，如X射线光子能谱法（1981年得过诺奖）。在X射线光子能谱法发明以前，是无法很容易的知道表面组成。

在表面分析组成领域，最常见的就是X射线光子能谱法，还有俄歇电子能谱法、二次离子质谱法。但后两种方法现在不是主流，大约95%-97%都采用X射线光子能谱法，另外两种占比不到5%。第二个就是性能分析，性能相对来说简单一些，表面有一个基本性能——表面能。分析方法主要是仪器分析方法，要借助于仪器。

在中国，得益于国家经济的快速发展和资金积累，能够购买到世界上一流的表面分析设备。甚至很多设备在刚推出时就被引入中国。同时，在国产化方面，尽管受到一些非正常因素的制约，但近年来也取得了显著进步，已经有一些国产设备成型并投入市场。

仪器信息网：畅谈一下表面分析技术的未来发展趋势?

程斌老师：表面分析技术原来不是特别热门的，完全得益于新材料的发展才热门起来，新材料对它的要求，促进了表面分析的发展。

那么目前来看，新材料方面有几个要求，在全世界范围内的材料热造成了需要大量的表面分析。目前的表面分析方法，它的设备以及操作都是要专家级的，而且都是非常贵重的设备，这样就很难满足大量的需求。

所以目前发展很重要的一个趋势，就是自动化，而且现在已经引入了AI，相应的仪器正在研发，可能很快就会面世，这样就会把表面分析的门槛降低，就可以更高效率的为材料发展服务。

第二个就是原位。原位有几个层面，一个层面就是材料在制备或者应用后，不再有其他因素的干扰，直接去分析。第二个层面要在同一个位置上，只能针对材料表面的一个极小区域或维度进行分析，并且很难找到另外同样的一个位置，这样对解读材料的结果就有很大的困难。第三个层面是在实际操作过程中来收集信息，现在成功引入并应用了operando技术，相应的测试仪器也在发展，如真空互联，可以不在外界干扰的情况下直接测试。第二种就是有些公司做了一些技术性的改造，可以在同一个位置上测试。operando技术某些方面还不太成熟，也在逐步的迭代。随着材料的要求越来越高，它逐步迭代，技术越来越成熟，这绝对是一个发展趋势。

再一个趋势就是把多种方法组合到一起，如X射线光子能谱法就可以结合离子散射法和拉曼光谱法，在得到组成信息的同时得到结构信息。还有一个趋势就是一些新的方法进入表面分析，如辉光放电质谱法，对超纯材料的定量分析是一个很重要的方法，近几年因为材料的需求开始进入表面分析领域，也在逐步完善。

仪器信息网：今年是仪器信息网成立25周年，请您谈谈对仪器信息网未来有哪些建议或者期待?

程斌老师：仪器信息网肯定是一直很关注的，也很熟悉，以前在专家层面有过合作。从仪器信息网建立开始，是搭载了互联网的一个新技术，把仪器的信息综合起来，便于大家了解设备，对国家仪器科技体系的搭建做了一定的贡献。

从一个用户角度来讲，提几点希望，第一点希望是改善一下模式，从B2B向B2C的模式发展，要发掘每一个客户的需求。例如，针对目前市场上普遍存在的培训需求，仪器在咱们国家已经是很普及，包括很多高档的设备（价格较贵，需要专家来操作和解读的设备）在中国也是非常普及了，那么仪器信息网可以为用户提供更加全面、专业的培训服务。第二点就是建立一个高效的交流平台，虽然有一些协会组织举办的会议提供了交流机会，但渠道仍然有限。仪器信息网可以利用其庞大的客户群优势，开辟一个新的交流渠道。

第三点就是仪器信息网当年成立的时候还是搭载了一些当时的新媒体，但这两年好像有点固步自封了，应该紧跟时代潮流，加大在微信、抖音等新媒体工具的投入和使用力度，继续发掘一些新的、大家喜闻乐见的媒体方式，进一步促进仪器信息网的发展。