Увидеть невидимое. - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Увидеть невидимое.

Классный кластер
Сегодня для диагностики, атомно-молекулярного конструирования новых материалов ученые используют сложнейшие методы, основанные на рассеянии различных частиц – фотонов, электронов, нейтронов, ионов. Это позволяет взглянуть на вещество с атомарным разрешением, продвинуться в глубь любых микро- и наноструктур и даже биоорганических систем. Увы, подобные исследования пока доступны далеко не каждой научной организации. Уникальные специалисты, трудоемкие методики, современные дорогостоящие приборы – все должно быть собрано на одной площадке, работать на одну цель.
В Курчатовском институте микроскопия как средство диагностики давно и широко используется в исследованиях, связанных с атомной энергетикой. В первую очередь это относится к изучению материалов корпусов реакторов и других объектов, подвергающихся радиационному воздействию. Из последних достижений у всех на слуху сталь для корпусов реакторов АЭС типа 48ТС в новом стандарте прочности, созданная совместно с ЦНИИ “Прометей”. С развитием нанотехнологий задачи усложнились, палитра применений микроскопии значительно расширилась.
Другое актуальное направление микроскопии развивается сегодня в рамках Курчатовского центра нано-, био-, инфо-, когнитивных наук и технологий (НБИК-центра), где с ее помощью решается целый спектр задач, связанных с исследованием структуры и свойств материалов.
К сегодняшнему дню курчатовцы освоили практически весь набор новейших методов исследования живой и неживой материи, сформировали мощный научно-технологический кластер мирового класса. Его неоспоримое достоинство – в сочетании наиболее перспективных, дополняющих друг друга направлений современной мировой микроскопии, начиная от оптической, продолжая растровой, ионной и заканчивая просвечивающей электронной с микроанализом на атомном уровне. Именно такой комплексный подход, как здесь считают, может обеспечить действительно прорывные результаты.
Пара гигантов
Вообще, ситуация в Курчатовском институте сложилась исключительная, поскольку электронно-микроскопический комплекс со всеми “встроенными” в него элементами в свою очередь представляет собой лишь часть технологической платформы, включающей в себя источники синхротронного излучения, исследовательский нейтронный реактор, рентгеновские установки. Лаборатория электронной микроскопии является важным звеном Курчатовского НБИК-центра, созданного М.Ковальчуком для осуществления главной идеи конвергенции наук и технологий, целью которой является создание гибридных систем на основе микроэлектроники и “конструкций” живой природы.
Уникальный комплекс электронной и зондовой микроскопии дает возможность выйти на новый уровень исследований структуры материалов. Сегодня в его состав входит самый мощный и пока единственный в России просвечивающий микроскоп Titan, который позволяет, например, получить изображение наноструктур на субангстремном уровне, идентифицировать атомы, оценить их химическое состояние, то есть не только увидеть кристаллическую решетку, но и фактически “потрогать” отдельные атомы.
Второй прибор – электронно-ионный сканирующий микроскоп Helios – тоже редкий экземпляр. С его помощью можно решать не только исследовательские, но и технологические задачи, создавать микромеханические устройства, электронные приборы. По признанию специалистов, Helios открыл для них новые возможности в изучении наноматериалов.
Чтобы сверхчувствительные приборы не ощущали и малейшей вибрации, их установили в подвале здания на так называемом “развязанном” фундаменте – своеобразной изолированной платформе. Мощные кондиционеры постоянно поддерживают здесь определенную температуру – ее колебания возможны лишь в пределах 0,2 градуса в час.
Titan и Helios – партнеры. Работая в связке, они составляют единое научно-технологическое ядро, которое позволяет исследовать объект сразу на многих уровнях – понимать его структуру, морфологию, химический состав. Один прибор может подготовить образец для другого, и каждый из них позволяет использовать сразу несколько методов исследований. Titan и Helios могут функционировать и отдельно друг от друга, но тогда работа на них ограничивается решением рядовых технологических промышленных задач. Есть в лаборатории и “механический участок” – отделение подготовки образцов, где также установлено новейшее оборудование.
– Наша лаборатория оборудована на уровне мировых стандартов, в России таких точно нет, – говорит заведующий лабораторией электронной микроскопии Александр Васильев. – Спектр выполняемых нами работ очень широк. Мы можем изучать наноматериалы, включая тонкие пленки, классические сверхпроводники (в рамках проекта ИТЭР), сверхпроводники нового поколения, которые создаются у нас в Курчатовском институте. Кроме того, ведем исследования в области наночастиц, а также микроэлектроники. При изучении сверхпроводящих материалов применяются новые методы, такие как трехмерная реконструкция объекта. Лаборатория, согласно плану директора Курчатовского института, изначально создавалась как многофункциональная – мы работаем в области нанотехнологий, нанобиотехнологий, традиционного материаловедения.
О мировых стандартах электронной микроскопии А.Васильев знает не понаслышке – опыт работы на подобном оборудовании он получил в крупных научных центрах США. Хотя началось все с микроскопии в Институте кристаллографии им. А.В.Шубникова РАН.
– В 1983 году я начал работать в Институте кристаллографии, который в то время был Меккой электронной микроскопии в нашей стране, – рассказывает Александр. – Там велись работы именно с биологическими объектами, ученые занимались новыми, совершенно прорывными вещами. В те времена туда съезжались исследователи со всего огромного СССР.
В 1990-е годы А.Васильев уехал в США, работал в Университете Пурдью, потом в Университете штата Огайо. Собираясь в Россию в 2007 году, он даже не подозревал, что эта поездка изменит многое в его жизни.
– Если честно, у меня не было намерений оставаться, – говорит А.Васильев, – но после разговора с Михаилом Валентиновичем Ковальчуком, объяснившим мне перспективы и возможности, которые открываются здесь, я принял решение вернуться в Москву. Работал сначала в модернизированном центре электронной микроскопии Института кристаллографии РАН, а затем в Курчатовском институте. И ни разу не пожалел об этом. У меня интереснейшие научные задачи, здесь приятно работать, сюда хочется приходить каждое утро.
И вас научим
В лаборатории работают девять человек: четыре научных сотрудника, инженер, один аспирант и три студента-четверокурсника недавно созданного НБИК-факультета когнитивных технологий МФТИ. Эти молодые люди обладают знаниями и навыками, необходимыми для работы на новейшем оборудовании. Кстати, пока таких специалистов в России можно пересчитать по пальцам. Впрочем, Александр Васильев настроен оптимистично: “Сейчас, безусловно, это уникальные специалисты, но их будет все больше и больше – способный человек в состоянии научиться работать на подобных приборах в течение года”.
Один из таких уникальных специалистов – научный сотрудник лаборатории Владимир Роддатис – тоже успел поработать за границей, сначала в Университете Пурдью, а позднее в крупном научном центре Германии, в Институте Фритц-Хабера (Берлин).
– Мои научные интересы связаны с количественной растровой просвечивающей электронной микроскопией, –
рассказывает Владимир. – Ее суть в том, чтобы не просто получить картинку структуры материала и описать ее, а провести математическую обработку и “вынуть” из нее дополнительную информацию, сравнить полученные результаты с тем, что дают другие методы, в частности микроанализ.
По словам ученого, подобной тематикой в мире занимаются лишь в лучших научных группах, а в России – только в курчатовской лаборатории электронной микроскопии.
Эта лаборатория – наглядный пример конвергенции наук, здесь практически неразделимы физика, химия и биология, причем большая часть исследований тесно связана с экспериментами на специализированном Курчатовском источнике синхротронного излучения.
– Это заметно и по публикациям, – утверждает В.Роддатис. – Количество статей в журналах, посвященных развитию методик электронной микроскопии как таковой, ограничивается несколькими десятками в год. В то же время число публикаций о результатах совместных исследований исчисляется десятками тысяч. Это очень мощная прикладная методика, которая сегодня чрезвычайно актуальна и широко используется во всем мире.
Новинки для реактора
Методы электронной микроскопии нашли применение в реакторном материаловедении еще в 1952 году, когда в Курчатовском институте были созданы “горячие” материаловедческие лаборатории. И сегодня ученые продолжают работать над созданием новых материалов для атомной энергетики: новейшее оборудование, установленное в лаборатории структурных методов исследования материалов, позволяет изучать конструкционные материалы для атомных реакторов, используя сразу несколько методов.
– В нашем распоряжении – самые современные приборы. Есть возможность проводить комплексные исследования, видеть и изучать то, о чем раньше приходилось только догадываться, – говорит руководитель лаборатории Кирилл Приходько. – Сегодня в России нет второго такого мощного комплекса, где был бы подобный набор аналитического оборудования. Условия нашей “горячей” лаборатории позволяют исследовать любые материалы. Для нас это большой плюс – проблемы реакторного материаловедения мы можем решать оперативно, подходя к задаче с разных сторон, выделяя ключевые процессы, приводящие к эволюции свойств веществ в процессе эксплуатации реакторов, а также учитывать их при проектировании новых материалов для ядерной энергетики.
Одно из важных направлений деятельности лаборатории – увеличение срока службы корпусов водо-водяных реакторов до 60-80 лет (сейчас максимальный срок – 40 лет).
– С течением времени под действием облучения и высоких температур структура материала меняется, – объясняет К.Приходько. – Сегодня мы имеем возможность увидеть это на микро- и наноуровне, а значит, выработать концепцию восстановительных мероприятий для продления срока службы материала с учетом вопросов безопасности. Совместная с ЦНИИ “Прометей” разработка новой стали, например, позволит увеличить срок службы реактора до 100 и более лет, повысить его мощность. Испытания усовершенствованной стали были закончены в прошлом году и подтвердили уникальные свойства нового материала. Экономический эффект от его применения даже трудно подсчитать – это миллиарды долларов.
В нужном темпе
Хотя лаборатория электронной микроскопии работает в Курчатовском НБИК-центре меньше года, ее сотрудникам уже удалось получить интересные научные результаты.
В 2010 году здесь начался совместный с рядом институтов РАН проект по исследованию гетероструктур на основе кремний-германия и арсенида галлия, тонких пленок для светодиодов, лазеров и детекторов инфракрасного диапазона. Часть исследованных материалов уже сейчас находит применение в производстве новых газовых сенсоров.
В лаборатории изучаются и высокотемпературные сверхпроводящие системы, на основе которых будут созданы отдельные элементы электроэнергетики. Еще одно интересное и многообещающее направление – разработка методик получения материалов, необходимых для производства антимикробных пластмасс для медицины.
Исследуя материалы буквально атом за атомом, сотрудники лаборатории создают и совершенствуют новые методики. Например, с участием студентов НБИК-факультета здесь активно развивается уже упоминавшийся метод трехмерной реконструкции наночастиц. В ближайшее время исследования в формате 3D планируется применять и к биологическим объектам.
Недавно сотрудники лаборатории смогли увидеть изображения индивидуальных атомов в аморфном материале (речь идет об атомах эрбия в матрице аморфного кремния). Это явление зафиксировано впервые в мире, сейчас готовится статья для специализированного научного издания.

Елена СЕМЕНОВА
Фото Николая Степаненкова

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2