差熱-拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)的搭建及其在熔鹽相圖測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

肖寒霜，吳梅芬，劉亞菲，許新華

同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092

科學(xué)事業(yè)的進(jìn)步必須依靠實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，而有難度的科學(xué)問題往往無法利用現(xiàn)成的儀器設(shè)備輕松地完成研究。因此，創(chuàng)造性地使用現(xiàn)有的研究條件形成新的實(shí)驗(yàn)方法或測(cè)量技術(shù)，是科學(xué)創(chuàng)新能力的重要組成部分。德國(guó)物理學(xué)家Ernst Ruska在20世紀(jì)30年代發(fā)明電子顯微鏡時(shí)，最開始就是使用電子顯像管中的電磁線圈進(jìn)行組合，形成了磁透鏡[1]。美國(guó)化學(xué)家Johnston和Yost在20世紀(jì)40年代研究二氧化氮與臭氧間快速反應(yīng)時(shí)，面對(duì)0.1 s內(nèi)就會(huì)完成的反應(yīng)過程，在電子技術(shù)還沒有普及、缺乏可靠的光譜儀和計(jì)算機(jī)輔助的條件下，創(chuàng)造性地用光電倍增管作為檢測(cè)器，用示波器與照相機(jī)組合作為圖形記錄儀，用馬達(dá)帶動(dòng)的圓盤斬波器實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)采樣，從而準(zhǔn)確測(cè)定了這一高速反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)[2]。這些事例生動(dòng)說明，培養(yǎng)學(xué)生利用手邊現(xiàn)有的儀器、設(shè)備、部件，通過綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行新實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備的構(gòu)建，是研究能力培養(yǎng)的重要方面。目前，這種類型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究和實(shí)踐在國(guó)內(nèi)高校中有零星開展[3,4]，但是仍不普及。我們?cè)鴪?bào)道過用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)部件組裝成差熱分析儀，進(jìn)行合金相圖測(cè)定實(shí)驗(yàn)[5]，學(xué)生在搭建實(shí)驗(yàn)裝置的過程中，全面、深入地了解了差熱分析方法的原理和儀器基本構(gòu)造，掌握了熱電數(shù)據(jù)訊號(hào)采集傳輸?shù)恼_方法，并獲得了比傳統(tǒng)的步冷曲線法更加豐富的相圖數(shù)據(jù)。我們也曾開發(fā)了差熱分析法測(cè)定儲(chǔ)能熔鹽體系(KNO3-NaNO3熔鹽)的復(fù)雜相圖的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，然而該方法對(duì)固相相變過程的測(cè)量不夠靈敏和精確[6]。研究表明常規(guī)方法(如微量熱法、高溫顯微鏡法和X射線衍射法等)對(duì)該熔鹽體系的相平衡研究均不完善[7-10]，而拉曼光譜法則比較靈敏[11,12]。根據(jù)這些情況，我們擬開發(fā)一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器與方法聯(lián)用的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，利用簡(jiǎn)單部件搭建可適用于共聚焦拉曼光譜儀測(cè)量平臺(tái)的差熱分析池，從而運(yùn)用差熱-拉曼聯(lián)用技術(shù)(DTA-Raman)研究上述熔鹽體系的相變過程。通過這樣由學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦的實(shí)驗(yàn)過程，訓(xùn)練和培養(yǎng)他們利用現(xiàn)有技術(shù)條件“拼湊”新型儀器，完成具有挑戰(zhàn)性研究工作的能力和素養(yǎng)。

圖1 差熱樣品臺(tái)原型

圖2 定型的差熱樣品臺(tái)

1 原位差熱分析-拉曼光譜儀聯(lián)用裝置的設(shè)計(jì)和搭建

本項(xiàng)目采用開放實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，在學(xué)生完成熔鹽相圖的差熱分析法測(cè)定實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，指出該方法測(cè)定結(jié)果的不足之處，并提出設(shè)計(jì)和搭建可用于拉曼光譜儀上的差熱分析平臺(tái)的課程要求。在之前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，我們就指導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室常見儀器設(shè)備和簡(jiǎn)單材料搭建差熱分析儀，并用于二組分合金液固平衡相圖的測(cè)定實(shí)驗(yàn)[5]。該差熱分析系統(tǒng)用雙通道色譜數(shù)據(jù)采集器記錄溫度、溫差數(shù)據(jù)，用程序控溫儀配合風(fēng)冷裝置控制線性升(降)溫，加熱爐體采用外面包裹絕熱帶的500 W功率外熱式電烙鐵芯，差熱樣品臺(tái)為原始的Roberts-Austen型金屬塊體，測(cè)溫元件是外徑小于1 mm的K型鎧裝熱電偶，熱電偶直接浸入樣品中。教學(xué)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)對(duì)于合金樣品差熱分析曲線測(cè)量是可靠準(zhǔn)確的。

因此，當(dāng)我們要求學(xué)生設(shè)計(jì)并搭建一套可用于共聚焦拉曼光譜儀上的差熱樣品臺(tái)時(shí)，學(xué)生們并不覺得有很大的難度，他們很快確定，原有系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集部分和溫度控制部分都是可以繼續(xù)使用的，需要改變的部分是加熱爐體、樣品臺(tái)和測(cè)溫元件，因?yàn)樵械臓t體和樣品臺(tái)高度超出了拉曼儀共聚焦系統(tǒng)的聚焦行程長(zhǎng)度(6-7 cm)，且保溫性能過于簡(jiǎn)陋，加熱過程輻射的熱量可能損壞聚焦鏡頭，同時(shí)從樣品上方直接插入的熱電偶也會(huì)阻擋入射光和散射光。根據(jù)這些分析，學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)并制作了可用于拉曼光譜測(cè)量的第一代差熱分析樣品臺(tái)(如圖1A所示)，加熱爐體為委托金工車間制作的長(zhǎng)方體金屬塊，鉆孔埋入100 W加熱棒，金屬塊上方開出凹槽，將由報(bào)廢的差熱分析儀上拆卸下來的樣品托盤安裝在凹槽中，樣品托盤為雙托盤，用熱電材料制作，可引出差熱訊號(hào)，兩個(gè)樣品托盤間置入熱電偶用于測(cè)量和控制加熱體溫度；安裝完畢的樣品臺(tái)外包裹絕熱材料，再用金屬鋁片覆蓋做成外殼；該樣品臺(tái)共有6根引出線，其中加熱棒電源線2根與程序控溫儀連接，熱電偶溫度訊號(hào)2根和樣品托盤溫差訊號(hào)2根分別連接到數(shù)據(jù)采集器的兩個(gè)通道上。初步運(yùn)行結(jié)果表明，該樣品臺(tái)具備基本的差熱分析功能，熱電偶和加熱裝置集中在鋁制外殼的內(nèi)部，樣品托盤暴露面積小，熱輻射對(duì)拉曼光譜儀的共聚焦系統(tǒng)影響基本可以忽略。然而，進(jìn)一步調(diào)試時(shí)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，由于樣品臺(tái)體積和高度的限制，加熱棒只能安裝在金屬塊的一側(cè)且僅能安裝一根，100 W的功率嚴(yán)重不足，且樣品托盤兩側(cè)的溫度不一致，溫度超過200 °C后很難控制線性升溫，溫度-時(shí)間曲線呈現(xiàn)紋波狀，溫差訊號(hào)本底噪聲嚴(yán)重。

針對(duì)這些問題，學(xué)生們嘗試做了改進(jìn)，圖1B為改進(jìn)后第二代樣品臺(tái)的實(shí)物照片，該樣品臺(tái)采用圓盤形設(shè)計(jì)，加大了恒溫金屬塊的尺寸，在樣品托盤兩側(cè)配置了2根100 W加熱棒，以增強(qiáng)溫度控制的均勻性和穩(wěn)定性。運(yùn)行結(jié)果表明，該平臺(tái)的溫度-時(shí)間曲線基本消除了紋波現(xiàn)象，配合程控儀的參數(shù)設(shè)定，線性升溫性能良好。但是，該樣品臺(tái)直徑達(dá)10 cm，整體笨重且不美觀，在拉曼光譜儀顯微載物臺(tái)上操作不方便；同時(shí)，溫差信號(hào)的基線仍然呈毛刺型，并沒有隨著控溫精度的提高而有所改善，說明本底噪聲問題并不是主要由控溫精度差造成的。這個(gè)問題困擾了學(xué)生很長(zhǎng)時(shí)間，一直得不到很好的解決，期間學(xué)生們嘗試了多種加熱棒、樣品托盤和熱電偶的布局方法，始終無法有效消除溫差訊號(hào)的高本底噪聲。在反復(fù)測(cè)試過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，即在線性升溫過程中溫差信號(hào)的本底噪聲比較大，而降溫時(shí)基線則比較平滑，考慮到樣品臺(tái)的溫度控制系統(tǒng)是人工智能比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，加熱棒的輸入電流存在起伏變化，這種起伏在升溫過程中比較明顯，降溫過程中則基本沒有電流輸入，因此他們推測(cè)溫差信號(hào)的本底噪聲可能與加熱棒中流過的電流波動(dòng)有關(guān)。仔細(xì)分析后可以推斷，由于溫差電勢(shì)信號(hào)非常低(微伏級(jí))，加熱棒輸入電流變化引起的電磁場(chǎng)變化會(huì)疊加到溫差電勢(shì)上，直線型加熱棒產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)于兩個(gè)樣品托盤來說不是完全相同的，無法有效互相抵消，可能導(dǎo)致較大的本底噪聲幅度。

根據(jù)上述觀察和推測(cè)，學(xué)生們對(duì)樣品臺(tái)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，在加熱體金屬塊外安裝環(huán)形加熱線圈套，使得加熱電流可能產(chǎn)生的電磁場(chǎng)呈對(duì)稱分布，降低了兩個(gè)托盤上所受影響的差異；同時(shí)，用屏蔽線將溫差、溫度熱電偶引線與加熱器電源線隔離，降低相互影響程度。由于環(huán)形加熱線圈功率更大、尺寸更小，因此加熱體金屬塊及絕熱材料的體積也大幅減小，樣品臺(tái)保護(hù)外殼直徑減少到5 cm；在樣品托盤上部加裝可拆卸的帶雙小孔頂蓋，雙孔位置正對(duì)樣品托盤，既不影響樣品裝卸和拉曼光譜測(cè)定的光通路，又減小了差熱分析樣品腔室的散熱面積，避免了樣品托盤的完全裸露，進(jìn)一步增強(qiáng)保溫控溫性能。圖2是加工定型的可用于拉曼光譜儀的差熱樣品臺(tái)照片。

將DTA樣品臺(tái)放置在激光共聚焦拉曼光譜儀的載物臺(tái)上，該載物臺(tái)可三維移動(dòng)，方便對(duì)焦。激光束通過DTA樣品臺(tái)頂蓋上的小孔射入，散射光也由小孔射出，而后進(jìn)行分光檢測(cè)。由此構(gòu)成的DTARaman光譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)裝置包括以下幾個(gè)部分：拉曼光譜儀及光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、DTA樣品臺(tái)、DTA樣品臺(tái)溫度控制系統(tǒng)、DTA樣品臺(tái)溫度/溫差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，系統(tǒng)整體聯(lián)結(jié)原理框圖見圖3所示。

圖3 DTA-Raman光譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)裝置工作原理框圖

為精確測(cè)量與控制樣品溫度，用一支K型鎧裝熱電偶浸在冰水浴中作為溫度測(cè)量的冷端。將該冷端熱電偶的負(fù)極與DTA樣品臺(tái)的測(cè)溫?zé)犭娕嫉呢?fù)極相連，以DTA樣品臺(tái)測(cè)溫?zé)犭娕嫉恼龢O為溫度測(cè)量正極、以冷端熱電偶的正極為溫度測(cè)量的負(fù)極，此時(shí)兩熱電偶正極間的熱電勢(shì)U即可換算為相對(duì)于0 °C的溫度值T。數(shù)據(jù)采集單元采用教學(xué)實(shí)驗(yàn)室常見的色譜數(shù)據(jù)工作站，測(cè)量范圍為0.1 μV-1000 mV。兩個(gè)樣品托盤的信號(hào)直接接入數(shù)據(jù)采集單元的B通道，作為溫差熱電勢(shì)信號(hào)，其大小正比于溫差值ΔT。

拉曼光譜測(cè)量采用共聚焦顯微拉曼光譜儀(雷尼紹，InVia型)，開機(jī)預(yù)熱30 min后用硅片對(duì)儀器進(jìn)行校正后測(cè)量，激光波長(zhǎng)514 nm，物鏡50X，激光功率20 mW，掃描時(shí)間1 s。樣品臺(tái)溫度控制采用AI-808P程序溫度控制器(廈門宇電)，雙通道色譜數(shù)據(jù)工作站。為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)采集流程，拉曼訊號(hào)和DTA訊號(hào)分別在2臺(tái)電腦上獨(dú)立采集，手工記錄每條拉曼圖譜對(duì)應(yīng)的樣品溫度值。由于DTA測(cè)量的升溫速率一般小于5 °C·min-1，因此每條拉曼圖譜掃描時(shí)間(1 s)內(nèi)樣品的溫度變化及其對(duì)樣品相結(jié)構(gòu)的影響幾乎可以忽略。

2 NaNO3-KNO3熔鹽體系相變過程的DTA-Raman聯(lián)用測(cè)量

NaNO3-KNO3二元熔鹽體系是優(yōu)質(zhì)的太陽能儲(chǔ)熱材料，也是得到廣泛應(yīng)用的僅有的幾種熔鹽體系之一[6,11,12]，其相變規(guī)律的研究對(duì)于促進(jìn)太陽能熱力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步、開發(fā)新型儲(chǔ)能材料體系具有重大意義。我校學(xué)生在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中會(huì)完成用差熱分析法測(cè)定該熔鹽體系液固平衡相圖的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[7]，實(shí)驗(yàn)是在商品化差熱分析儀上完成的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單一的差熱分析方法很難完整準(zhǔn)確地測(cè)出該熔鹽體系的相圖(如圖4所示)，因?yàn)槠湎嘧冞^程涉及固相晶型轉(zhuǎn)變，是較為復(fù)雜的固液平衡體系，在109 °C以上至固線溫度(B區(qū)下緣線)之間會(huì)發(fā)生固相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)诤?，除靠近NaNO3端的極少部分樣品外，在熱分析曲線上基本無法觀察到該溫度區(qū)間內(nèi)的相變過程，這與文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果是一致的[7-10]。因此，采用何種實(shí)驗(yàn)方法可以比較準(zhǔn)確全面地測(cè)得該熔鹽體系的相變規(guī)律，是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論部分的重點(diǎn)。通過文獻(xiàn)閱讀，學(xué)生發(fā)現(xiàn)這個(gè)貌似簡(jiǎn)單的二元體系，很多實(shí)驗(yàn)方法都是無法得到明確結(jié)果的，只有拉曼光譜可以對(duì)其涉及的固相晶型轉(zhuǎn)變過程做出比較準(zhǔn)確的表征。而在之前的儀器分析實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們已經(jīng)進(jìn)行過用拉曼光譜定量分析硝酸鹽溶液組成的實(shí)驗(yàn)，熟悉實(shí)驗(yàn)技術(shù)和硝酸鹽體系的光譜特性。由此，在這兩個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生產(chǎn)生出將差熱分析和拉曼光譜技術(shù)融合聯(lián)用的想法，就水到渠成了。

圖4 NaNO3-KNO3二元熔鹽體系液固平衡相圖

文獻(xiàn)中對(duì)NaNO3-KNO3二元熔鹽體系進(jìn)行變溫拉曼光譜測(cè)量時(shí)，采用的是靜態(tài)溫度控制方法，即在一個(gè)固定溫度下測(cè)定混合熔鹽樣品的拉曼光譜，然后改變溫度再次進(jìn)行測(cè)定[11,12]。這種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，不適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，同時(shí)也不是實(shí)際意義上的儀器聯(lián)用技術(shù)。為此，學(xué)生們創(chuàng)造性地制作了一個(gè)可放置在共聚焦拉曼光譜儀樣品平臺(tái)上的小型差熱分析池，對(duì)二元硝酸鹽熔鹽體系進(jìn)行DTA-Raman聯(lián)用測(cè)量，即在DTA線性升溫條件下，樣品經(jīng)歷動(dòng)態(tài)相變過程中同步采集實(shí)時(shí)Raman訊號(hào)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量速度較快，采用開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，學(xué)生組成2-3人一組的研究團(tuán)隊(duì)，分別對(duì)不同組成比的NaNO3-KNO3熔鹽進(jìn)行檢測(cè)，不同組成的熔鹽粉末系由事先完全熔融混合均勻后冷卻得到的熔鹽塊粉碎得到的，DTA測(cè)量的參比物為α-Al2O3粉末，樣品和參比物均放置在Φ5 × 4 mm鋁坩堝中，質(zhì)量均為20-30 mg常規(guī)測(cè)量，升溫速率為10 °C·min-1，相變前后精細(xì)測(cè)量時(shí)設(shè)定為1-2 °C·min-1。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DTA-Raman聯(lián)用測(cè)量技術(shù)獲得了更為全面準(zhǔn)確的相變分析數(shù)據(jù)。以硝酸鈉摩爾分?jǐn)?shù)為0.8066的NaNO3-KNO3熔鹽樣品為例，圖5為該樣品在不同溫度下Raman-DTA同步分析圖。在DTA曲線上分別在110-128 °C之間和220 °C以上出現(xiàn)了兩組吸熱峰，前者對(duì)應(yīng)的是α-固溶體中的KNO3的晶型轉(zhuǎn)變過程，后者則為固體熔融鹽的融化過程，這與以前的研究結(jié)果基本一致[8]；在128 °C至199 °C之間的DTA曲線為一條平直的基線，說明在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)差熱分析沒有測(cè)量出樣品存在任何相結(jié)構(gòu)與相組成的改變。然而，拉曼光譜給出了更為細(xì)致的結(jié)構(gòu)演變信息，100 °C時(shí)拉曼光譜中存在1050和1066 cm-1處兩個(gè)明顯的譜峰，分別指認(rèn)為α-固溶體相和純NaNO3的ν1-NO-3振動(dòng)峰[11,12]，表明該熔融鹽以兩相形式穩(wěn)定存在；升高溫度，1050 cm-1處的峰逐漸藍(lán)移，演變?yōu)橹鞣?1066 cm-1)旁的肩峰(1055 cm-1)，表明體系中的α-固溶體消失，形成了新的Na,K//NO3晶相；該肩峰在200 °C左右基本消失，形成峰值為1064 cm-1的單峰結(jié)構(gòu)；繼續(xù)升高溫度至240 °C，其拉曼主峰位置逐漸紅移，DTA曲線顯示樣品開始熔融，至297 °C時(shí)熔融為液態(tài)，此時(shí)拉曼主峰位置移至1055 cm-1處。

圖5 NaNO3摩爾分?jǐn)?shù)0.8066的熔鹽樣品晶系轉(zhuǎn)變過程的Raman-DTA同步分析圖

值得注意的是，相圖(圖4)顯示在200 °C附近會(huì)發(fā)生NaNO3+ Na,K//NO3兩相融合轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌腘a,K//NO3單一晶相的相變過程，然而這一相變點(diǎn)用各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)(如差示掃描量熱法、X射線衍射、微量熱法、高溫顯微鏡等)都沒有能夠明確觀察到[6-10]。為細(xì)致研究該問題，學(xué)生們以更低的升溫速率(1-2 °C·min-1)，對(duì)128-189 °C溫度區(qū)間內(nèi)樣品的相變過程進(jìn)行了詳細(xì)地差熱-拉曼光譜同步測(cè)量，并用Origin軟件對(duì)相關(guān)譜峰進(jìn)行了峰形擬合處理，如圖6所示，其中黑線代表原始譜圖，藍(lán)線和紅線是通過高斯函數(shù)多峰擬合的結(jié)果，隨著溫度的升高，對(duì)應(yīng)NaNO3+ Na,K//NO3兩相共存的1066和1055cm-1雙峰逐步靠近，到189 °C完全融合為1064 cm-1的單峰，表明此時(shí)兩相已經(jīng)變?yōu)橐幌?，即樣品完全轉(zhuǎn)變?yōu)镹a,K//NO3單一晶相，189 °C的相變點(diǎn)溫度也較為接近相圖(圖4)上的示值。這個(gè)結(jié)果很好地解決了之前研究所遇到的問題，說明采用DTA-Raman聯(lián)用技術(shù)能為NaNO3-KNO3熔鹽體系的固態(tài)相組成融合轉(zhuǎn)化過程提供確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，從而加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)固態(tài)相變?nèi)诤线@一過程的直觀認(rèn)識(shí)。

圖6 NaNO3摩爾分?jǐn)?shù)0.8066的熔鹽樣品128-189 °C的Raman光譜圖

3 開放實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)和教學(xué)

上述開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含兩個(gè)部分，即使用現(xiàn)有材料配件設(shè)計(jì)、搭建差熱-拉曼聯(lián)用測(cè)量平臺(tái)，并將其運(yùn)用于熔鹽體系液固相變測(cè)量，針對(duì)的是一般物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中很少涉及的“固相相變的測(cè)量”這一難點(diǎn)問題。不同測(cè)量方法之間的聯(lián)合使用往往會(huì)產(chǎn)生1 + 1 ＞ 2的效應(yīng)，是科學(xué)研究創(chuàng)新的重要方面；而新方法在初創(chuàng)之時(shí)，又常常面臨缺乏完善、成熟的儀器系統(tǒng)的問題。作為一個(gè)模擬訓(xùn)練項(xiàng)目，通過本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程能夠培養(yǎng)學(xué)生合理利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行研究方法和技術(shù)創(chuàng)新的思維意識(shí)和實(shí)踐能力，同時(shí)測(cè)量對(duì)象的選擇也能夠很好地展示技術(shù)聯(lián)用產(chǎn)生的疊加增強(qiáng)效果。

當(dāng)前，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中體現(xiàn)“兩性一度”的要求正在成為一種發(fā)展方向。以學(xué)生為主體，自主設(shè)計(jì)組建DTA-Raman聯(lián)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)學(xué)生具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)度，需要經(jīng)過反復(fù)多次的試錯(cuò)和改進(jìn)以及耐心細(xì)致的觀察現(xiàn)象和分析問題。從實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容設(shè)計(jì)上看，任何一個(gè)新創(chuàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目在其初創(chuàng)之時(shí)，都具有一定的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，尤其是第一次面向?qū)W生的時(shí)候更是如此。但是，這種創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度能否持續(xù)，即把這個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度在一屆又一屆的學(xué)生中保持下去，使得實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目常開常新，而不是做著做著就成了一個(gè)沒有新意的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，是值得深入思考的，尤其是開放實(shí)驗(yàn)的選題本身就應(yīng)具有開放性，可以根據(jù)每一屆學(xué)生的特點(diǎn)和不同學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容對(duì)選題進(jìn)行拓展和深入。在DTA-Raman聯(lián)用測(cè)量熔鹽液固平衡相圖實(shí)驗(yàn)中，后續(xù)各屆學(xué)生仍可分別針對(duì)差熱樣品池、數(shù)據(jù)采集模塊和熔鹽體系等進(jìn)行拓展和改進(jìn)，例如在差熱樣品池上增加進(jìn)出氣路進(jìn)行氣氛控制，在頂蓋上增加玻璃窗片用于密封，使得差熱樣品池變?yōu)榉磻?yīng)池，可進(jìn)行不同氣氛條件下的反應(yīng)監(jiān)測(cè)；同樣，對(duì)有電子專業(yè)基礎(chǔ)的學(xué)生，可自己搭建數(shù)據(jù)采集模塊和編程，實(shí)現(xiàn)DTA訊號(hào)和拉曼光譜訊號(hào)的同步實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量和分析，形成不同學(xué)科之間的交叉與融合；對(duì)于測(cè)量對(duì)象而言，開放的范圍可以更廣泛，既可以對(duì)已有的NaNO3-KNO3體系進(jìn)行深入全面完整的測(cè)量和分析，獲得相圖的全貌，也可以改換成不同的樣品。因此，該項(xiàng)目能夠大大增加實(shí)驗(yàn)的開放范圍，使其既具有傳承性又具有創(chuàng)新性，具有很好的教育意義和教學(xué)效果。