Секреты поглощения - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Секреты поглощения

Спектроскопии на пользу компьютерное моделирование

Приборы, которые работают на принципах ускорения заряженных частиц, давно используются для изучения вещества. Такого рода техника прошла эволюцию – от рентгеновских трубок до мощных синхротронных установок, которые дают возможность вникнуть в самые сокровенные тайны материи. С помощью такого оборудования и квантово-механических вычислений исследует метеориты и катализаторы заведующий лабораторией нанодиагностики Международного исследовательского института интеллектуальных материалов Южного федерального университета Александр ГУДА. Его методика количественного анализа локальной атомной структуры на основе данных резонансной рентгеновской спектроскопии получила поддержку в виде гранта Президента России. «Поиск» задал молодому ученому несколько вопросов о его работе.
– Александр, что это за локальная структура вещества, которую вы исследуете?
– Все тела, как известно, состоят из атомов и молекул. Их расположение определяет природу вещества. Взять хотя бы алмаз и углерод. Они состоят из атомов углерода, но имеют совершенно разные свойства. Чтобы заглянуть в глубь вещества, мы используем рентгеновское излучение.
Метод называется «спектроскопия рентгеновского поглощения», при его применении атомы вещества поглощают рентгеновские фотоны. Когда это происходит, электрон получает дополнительную энергию от фотона (становясь «фотоэлектроном»), рассеивается на соседних атомах и создает интерференционную картину. Метод рентгеновской спектроскопии напоминает интерферометр, он позволяет исследовать расположение атомов даже в аморфных телах и жидкостях, которые нельзя изучить с помощью дифракции.
Мы развиваем теоретический метод анализа спектров рентгеновского поглощения. Провести измерения недостаточно, нужно еще добыть ценную информацию из спектров. Для этого на помощь приходят численные методы квантовой механики. Объекты наших исследований – вещества без дальнего порядка. Это аморфный диоксид кремния, который используется как подложка для многих важных катализаторов. При создании катализатора в матрицу оксида кремния встраивают атомы металла, например, хрома. Такой материал используется для получения полиэтилена. Мы исследуем и природные образцы. Это минералы, образующиеся при столкновении метеоритов с Землей, – тектиты и импактиты. В их аморфную матрицу того же оксида кремния встраиваются атомы железа. Информация о локальном окружении железа важна для понимания геологических процессов.
– Расскажите, как вы применяете резонансную рентгеновскую спектроскопию? Что за данные используете?
– Этот метод активно развивается благодаря совершенствованию источников синхротронного излучения. В отличие от рентгеновской трубки синхротроны производят яркий сфокусированный рентгеновский пучок. Появление синхротронов можно сравнить с появлением лазеров после лампы накаливания.
С помощью яркого и интенсивного излучения можно регистрировать электронные возбуждения, происходящие на d-оболочке атомов. В отличие от s- (сферическая) и p- (гантелеобразная) оболочек, известных нам со школьных курсов химии, электроны на 3d-оболочке очень близко расположены друг к другу. При правильно подобранной энергии падающего на образец излучения фотоэлектрон попадает на 3d-оболочку и из-за «тесноты» начинает активно взаимодействовать с другими 3d-электронами.
С точки зрения квантовой механики, возникает множество возбужденных уровней в электронной системе. Если теперь детектор настроить так, чтобы он ловил фотоны, выходящие только от 3d-электронов, то мы будем работать с резонансными процессами, в которых электронные возбуждения очень хорошо заметны. Так мы многократно повышаем чувствительность метода рентгеновской спектроскопии к структуре вещества. В резонансных спектрах определение симметрии расположения атомов, их валентности и различных деформаций намного точнее.
– В чем состоит ваша методика количественного анализа?
– Мы разработали подход, позволяющий проводить теоретическое моделирование резонансных спектров ab initio (из первых основополагающих принципов). Раньше для этого применяли полуколичественные методы, содержащие в себе много подгоночных параметров. Мы же все параметры получаем из квантово-механических расчетов. Идея в том, чтобы рассчитать большую базу данных теоретических спектров. Потом их сравнивают с данными эксперимента. Но не просто как отпечатки пальцев, а используя более продвинутые методы машинного обучения.
В сотрудничестве с математиками мы делаем программное обеспечение PyFitIt, которое использует методы машинного обучения в анализе спектров рентгеновского поглощения. В будущем оно будет доступно широкому кругу специалистов, которые смогут воспользоваться как теоретической базой спектров, так и самим программным обеспечением для анализа.
– Ваши исследования носят чисто фундаментальный характер или имеют также прикладное значение?
– Сама методика – это чисто теоретическая разработка. Однако мы стараемся применить ее к реальным объектам – атомам 3d-металлов (обычно это элементы от титана до меди в таблице Менделеева) в аморфном оксиде кремния. Сейчас работаем с двумя типами объектов. Это катализаторы для производства полиэтилена, в которых атомы хрома помещаются на подложку оксида кремния.
А также геологические объекты, образующиеся при соударении метеорита с Землей, – тектиты и импактиты, в которых железо внедряется в матрицу оксида кремния. По резонансным спектрам рентгеновского поглощения мы определяем, валентность атомов металла (Cr2+, Cr3+ или Cr6+), сколько у него соседей и какие это атомы: кислород, углерод или водород. Эти данные имеют важное практическое значение для понимания процессов, происходящих в материале.
– Насколько отличаются нынешние эксперименты по исследованию структуры вещества от первых экспериментов Рентгена?
– Экспериментальная техника с тех времен ушла далеко вперед. Вместо рентгеновских трубок сегодня используют мощные синхротроны уже четвертого поколения. Создаются рентгеновские лазеры на свободных электронах, которые позволяют исследовать структуру вещества с временным разрешением выше, чем 100 фемтосекунд! Новые источники синхротронного излучения скоро появятся и в России – распоряжение об этом подписано на высшем уровне.
– Что вы планируете исследовать дальше?
– В ходе работ, которые проводятся в Международном исследовательском институте интеллектуальных материалов ЮФУ, мы движемся в сторону практического применения методов машинного обучения в спектроскопии. В первую очередь это хорошо знакомая нам спектроскопия рентгеновского поглощения. Но не собираемся останавливаться и хотим объединить несколько спектральных методов в одну методику, чтобы повысить точность анализа и дать инструмент даже неспециалистам в области спектроскопии.

Василий ЯНЧИЛИН

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2