范海福

        范海福,物理学家。1933年生于广州市。中学就读于中山大学附中。1956年毕业于北京大学化学系。在北京大学学习期间,唐有祺先生把范海福带进了晶体学的大门。大学毕业后,在中国科学院应用物理研究所吴乾章先生的指导下,他对晶体结构分析方法产生了浓厚的兴趣。60年代初,范海福根据自己的专业和我国的国情,选择了“中草药有效成分的x一射线晶体结构分析”作为一个研究方向。
        晶体结构分析就是要从晶体的衍射效应求出原子在晶体内部的排布。它属于物理学中的“求逆问题”。如果已知由晶体发出的衍射波的振幅和周相,这个“逆问题”就很容易解决’。但是,用实验方法虽然可以测量衍射波的振幅,却很难记录到它的周相。因此,要想从衍射效应解出晶体结构,必须先设法找回“丢失了的”周相。这就是所谓的“周相问题”。直接法是在衍射分析中用于解决周相问题的一种计算方法。它始于1948年。到了60年代,直接法一方面蕴酿着重大的突破,另一方面又处于与其他方法不相往来的孤立状态。针对这一情况,范海福提出将直接法与当时常用的重原子法、帕特森法、同晶型置换法以及异常散射法相结合的原理。直接法同重原子法以及帕特森法的结合,后来演化为一种系统的、用于处理晶体结构分析中赝对称性问题的方法。直接法与同晶型置换法以及异常散射法的结合,自60年代以来一直是国际上直接法研究的一个热点。
        “文化大革命”期间,原有的方法研究被迫中断。范海福的“合法”工作是从事一些固体材料的常规晶体学鉴定。他经常遇到所谓“超结构”,而当时还没有测定超结构的系统方法。于是他提出了测定超结构的直接法。这一方法后来还派生出测定非公度调制结构的直接法。范海福在晶体鉴定的工作中还使用了电子显微镜,由此又萌发了将电子显微学同衍射分析相结合的想法。
        60至70年代,H.Hauplman,J.Karle,I.L_Katie,M.M.Woolfson等人的直接法研究成果,使晶体结构分析产生了革命性的变化,并大大地促进了结构化学的发展。为此,H.Haul3tman和J.Karle于1985年荣获诺贝尔化学奖。庆贺之余,不少人想给直接法划上一个句号。但是,范海福却指出,直接法固然已是功业显赫,但是,其应用大都仍局限于一个狭小的范围,即小分子单晶体的x一射线分析。因此,“诺贝尔奖以后”的直接法应该走出传统领域去开拓新的天地。1987年在澳大利亚的帕斯(Perth)召开了第十四届国际晶体学大会。其间M.M.Woolfson主持了名为“New Development in【)irect Methods’’的报告会。报告人有J.Karle,H.Hauptman,G.Bricogne,H.Schenk和范海福共五位。范海福在报告中指出直接法今后值得重视的四个发展方向。(1)从单晶体试样到粉晶试样;(2)从小分子到生物大分子;(3)从完整晶体到不完整晶体;(4)从x.射线晶体学到高分辨电子显微学。90年代初以来范海福和他的同事们在其中的三个方面取得了重要的成果。
        如何将直接法用于生物大分子的晶体结构分析,是范海福长期以来关心的一个问题。1965年他首先提出将直接法和单对同晶型置换法或单波长异常散射法相结合的设想。其目的是要减少测定蛋白质晶体结构所需的实验工作并简化其分析过程。80年代以来世界上主要的直接法研究中心都争相投入这一研究。1997年,范海福等人在国际上首次用直接法从一套单波长异常散射数据解出一个未知的蛋白质晶体结构。
        通常,晶体结构分析都假定晶体具有严格的三维周期性,但是实际的晶体都有缺陷,基于上述假设的分析结果往往不能解释材料的一些重要性质。非公度调制是晶体缺陷的一种常见的特殊形式,它对晶体的性质有重要影响。目前国际上用于测定非公度调制结构的流行方法都要先假定一个调制模型。这种方法带有主观成分,过程周折,易出差错。范海福等人在1987年建立了直接法测定非公度调制结构的理论,继而发展出一套实用算法。这是目前国际上唯一无需假想模型而能直接测定非公度调制结构的方法。它已用于研究一系列高Tc超导材料,并观察到一些重要的、以前未见报道的结构细节。
        高分辨电子显微学是研究固体材料微观结构的重要手段。许多材料由于晶粒太小或缺陷严重而不便使用x一射线分析,但却宜于电子显微学观察。然而,高分辨电子显微像往往有严重畸变,而且在多数情况下其分辨率还不足以辨认单个的原子。因此高分辨电子显微像需要经过特殊处理才能反映出物体内部的结构细节。国外习用的处理方法,实验量大,计算繁复,而且事先对被观察试样的结构要有个大致的了解。这就局限了高分辨电子显微学的应用。从70年代起,范海福和李方华合作,建立了用于高分辨电子显微学图像处理的新方法。这一方法将衍射分析和显微成像结合起来。和原有的方法相比,所需的实验工作量较少,计算过程也较简捷,而且无需对被测试样的结构预先有所了解。这一方法已成功地用于处理高TC超导材料的高分辨电子显微像。处理后的图像,除校正了畸变外还将图像的分辨率从2A提高到1 A。全部金属原子和部分氧原子均清晰可见。图中还可观察到非公度调制的细节。
        范海福自1985至1997年分别在21个国际学术会议上作了26次邀请报告,并应邀赴美、英、法、德、荷、日等国的十多个科研单位作学术交流。他同英国皇家学会会员M.M.Woolfson教授合作撰写了一部专著:“Physical and Non—physical Methods 0f Solving Crystal Structures”,Cambridge University Press,London,1995-1996年获得第三世界科学院物理奖。

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