福建物构所在微观结构表征领域取得新进展：《调制与缺陷结构晶体学》出版
更新日期：2025-07-11物质与材料科学是现代科技发展的基石，其性能根本上取决于微观结构，包括晶体结构、调制与缺陷结构、以及电子结构等。物质微观结构的精准表征在新物质与新材料的发现与创制中发挥着不可替代的核心作用。
晶体是具有长程序（表现为衍射点）的物质。晶体结构是指晶体中的一种高度有序、周期性的原子、离子或分子的排列方式。这种排列使得晶体在宏观上展现出特定的对称性和物化性质。
然而，材料中普遍存在的晶格调制与结构缺陷，深刻影响着材料的实际性能与功能，尤其在光电功能材料（带宽、效率）、能源材料（储能、转化）、结构材料（强度、塑性）中起关键作用。因此，深入解析材料的调制与缺陷结构，对揭示构效关系规律、实施调制与缺陷工程创制高性能功能材料具有重大意义。目前对晶格结构调制与缺陷的认识主要体现在平均晶体结构、缺陷类型和缺陷浓度等方面，而很少涉及到调制与缺陷结构。
完美晶体的平移周期性是典型的长程序，而调制序（调制结构）与缺陷序（缺陷结构）同样体现长程有序性。调制结构指结构参数如原子位置、占据数或温度因子等发生可用周期性函数描述的畸变，其衍射特征表现为在主衍射点周围伴生卫星衍射点。缺陷结构则指结构参数发生非周期性畸变，但在统计分布上仍具有长程有序性，其衍射特征表现为在主衍射点周围伴生弥散衍射斑纹。根据这些主衍射点、卫星衍射点以及弥散衍射斑纹等信号，基于相应的理论模型和精修技术，可重构出材料的调制与缺陷结构。
调制与缺陷结构晶体学，正是运用晶体学方法研究物质微观调制与缺陷结构的新兴学科。X射线、中子、电子散射是探测（亚）原子尺度结构的主要手段。无论是常规晶体结构，还是调制与缺陷结构，其结构解析在数学本质上是相似的：即利用含未知参数的结构模型拟合散射数据，最优解即为测定的结构。然而，调制与缺陷结构的实验测试、模型构建和精修算法，与常规晶体学方法存在显著差异。沿用传统方法往往仅能获得“平均结构”信息，无法精确表征其真实复杂性。特别是缺陷结构模型高度复杂，传统最小二乘优化面临挑战。人工智能算法的快速发展，为突破这一瓶颈提供了全新契机。
中国科学院福建物质结构研究所郭国聪研究员团队近期由科学出版社出版的专著《调制与缺陷结构晶体学》，系统梳理、总结并阐述了调制与缺陷结构研究的实验方法、模型构建及精修理论技术，提供了该领域研究的系统性解决方案。该著作填补了传统晶体学在缺陷物质结构解析方面的不足，将有力推动晶体结构分析在更广阔材料体系中的应用，为相关领域研究提供坚实的理论与实验支撑，相信这一著作可作为物质和材料科学领域研究者的重要参考书。
在前期研究中，郭国聪研究员团队已对实空间电子结构的精确实验测试进行了系统研究。电子结构是指电子密度、电子波函数及其衍生物理量，其中电子密度的傅里叶变换（结构因子）可通过衍射实验测定。借助此方法及相应的理论模型和精修技术，可重构材料的实验电子密度，乃至实验电子波函数或实验电子密度矩阵。通过梳理和总结电子结构理论模型与测试技术，该团队于2022年由科学出版社出版了专著《电子结构晶体学》，并将电子结构晶体学技术应用于材料功能基元（即决定材料功能的结构敏感部位）的研究，总结相应理论与实验结果，于2024年由Wiley出版商出版了专著《Electronic Structure Crystallography and Functional Motifs of Materials》。
近期出版的《调制与缺陷结构晶体学》与《电子结构晶体学》构成姊妹篇。前者为电子结构晶体学技术在含缺陷材料体系中的推广应用奠定了基??；后者则为在电子密度层次解析调制与缺陷结构铺平了道路。两书所展示的技术和采用的实验数据类型与仪器装备相通，可为同步辐射大科学装置开展前沿结构研究提供有力支撑。
通过融合电子结构表征技术与调制/缺陷结构分析技术，结合原位测试平台，可进一步实现对材料初始态到功能态转变过程的微观结构动态解析。该方法能精准捕捉材料在光、热、力、电等外场激励下的功能响应信息，揭示功能基元。功能基元学术思想由郭国聪研究员于2011年提出（化学进展 2001,13,151），指出功能的本质源于外场作用下材料的电子响应过程，通过研究电子结构演变与功能响应机制，揭示功能基元及其效应协同规律，建立功能基元数据库，形成功能基元理论，为预测已知材料性能和指导新材料结构设计奠定理论基础，从而缩短新材料研发周期。
该系列专著作者之一姜小明研究员专注于物质微观结构表征技术的迭代创新。感谢老一辈科学家黄锦顺研究员在成书过程中给与的支持。感谢洪茂椿院士、姚建年院士和陈小明院士为该系列专著作序。这些专著的出版得到国家自然科学基金（22175172）、福建省自然科学基金（2024J010041）和中国科学院仪器研制项目（PTYQ2024TD0016）的支持。
郭国聪团队致力于结构化学研究，秉承卢先生提出的五重相结合科研方法，着重结构与性能、基础与应用相结合研究，在物质微观结构表征技术的创新与推广方面成果显著，率先在我国实现了实空间电子结构实验表征从“0到1”的突破，形成了系统性自主技术，引领我国结构化学研究从晶体结构向电子结构跨越，提出了电子结构晶体学学科新方向，相关技术已在国科大、中科大、中国科学院物理所、化学所等9家单位推广应用，并在北京HEPS、上海光源等大科学装置立项建设。近年来，该团队在国际著名期刊发表了系列相关前沿工作：
1.Natl. Sci. Rev. 2022,nwac017（提出电子结构晶体学，阐明材料功能基元思想内涵）；
2.Angew. Chem. Int. Ed. 2021,60,11799（基于激光下原位实验电子波函数揭示非线性光学功能基元）；
3.Adv. Optical Mater. 2023,2301897（基于实验电子密度获得高精度非线性光学系数）；