表征材料结构的新方法，你GET到了吗？

材料牛注：结构影响性能。不用问也知道，研究材料的结构有多重要。表征手段因此显得格外重要，传统的表征方法，如最小二乘法，虽然简单直接，但是无法给出材料结构的变异性和不确定性。来自美国的研究人员发现了一种新的方法，可以打破这些传统方法的限制。到底是什么样的方法呢？让我们一探究竟。

来自北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）、美国国家标准与技术研究院（the National Institute of Standards and Technology ，简称NIST）和橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，简称ORNL）的研究人员发现了一种通过贝叶斯统计进行材料结构表征的新方法。这种方法可以促进众多领域的新材料的发展。

“我们想了解材料的晶体结构，例如原子在材料基体中的位置，因此可以知道材料的结构是如何影响其性能的，”北卡罗莱纳州立大学材料科学与工程教授，同时也是这项研究的作者之一的Jacob Jones说道，“这是一项全新的进展，有助于我们开发可用于电子产品、汽车制造和纳米技术的一切材料。”

了解材料晶体结构的第一步是用电子、光子或其他亚原子粒子对样品材料进行轰击，利用了如橡树岭国家实验室的散裂中子源或者阿贡国家实验室的先进光子源等技术。因此研究人员可以对从材料中分散出的粒子的角度和能量进行测量。

接下来事情变得很棘手

通常，由散射实验得到的数据会通过“最小二乘法拟合”统计方法进行分析，进而推断材料的晶体结构。但这些技术是有限的，它们可以告诉研究人员材料可能是什么样的结构，但是它们不能完全描述出材料结构的变异性和不确定性，因为它们未用概率表示结果。

“最小二乘法是一种简单直接的方法，但它不能用于描述推断出的晶体结构，不能给出科学家们所提问题的答案，”北卡罗莱纳州立大学统计学教授，该论文的作者之一的Alyson Wilson说道，“但是我们确实有其他方法可以解决这项难题，而这就是我们关于这项研究所做的事情。”

事实上，样品中原子间的距离不是恒定不变的。而且对于材料结构的每个方面都是如此。

“现在通过这种新方法，了解了材料的变异性可以使我们用一种新的，更好的方法进行材料表征，”Jone 说道。

这正是贝叶斯统计法发挥作用之处

“例如，原子的振动，” Wilson 说道，“并且振动的程度由温度控制。研究者们想知道给定一种材料，温度是如何影响它的振动的。而贝叶斯方法可以告诉我们材料中热位移的概率。”

“这种方法将使我们能够分析从各种材料表征技术中得到的数据——包括所有形式的光谱、质谱，只要你能说的出名字的都可以，并且能够更加充分地描述各种物质，”Jones 表示，“老实说，这非常振奋人心。”Jones 同时也是北卡罗莱纳州立大学分析仪器科的主任，拥有很多此类的仪器。

“我们也打算利用这些技术将各种实验数据结合起来，更加深入地了解材料的结构。” Wilson 解释道。

原文链接：New approach to determining how atoms are arranged in materials

文献链接：Use of Bayesian Inference in Crystallographic Structure Refinement via Full Diffraction Profile Analysis

本文由编辑部杨洪期提供素材，黄亚编译，点我加入材料人编辑部。