31 мая 2022

В Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ проводятся исследования в области нанотехнологий

Человечество возлагает большие надежды на нанотехнологии. Промышленность, энергетика, космические исследования, медицина, спасение людей, шельфовая добыча нефти, экипировка и технологическая оснащенность спортсменов — все эти и многие другие отрасли уже начали стремительно меняться под влиянием нанотехнологий и обещают стать еще более эффективными. С развитием материаловедения все больше наноматериалов становятся объектами исследований на новой станции рентгеновского рассеяния Xeuss 3.0 в ЛНФ ОИЯИ, ведь именно на ней изучается их структура, которая напрямую определяет свойства наноматериалов.

Одним из первых приглашенных пользователей станции стал старший научный сотрудник Петербургского института ядерной физики имени Б. П. Константинова (ПИЯФ) Геннадий Копица в июне прошлого года, и с тех пор его тесное сотрудничество с ЛНФ ОИЯИ развивается. «Я бы сказал, что это лучшая из лабораторных установок, работающая с использованием методов, как малоуглового, так и широкоугольного рентгеновского рассеяния. Станция позволяет исследовать структуру различных материалов и наноматериалов от атомного до наноразмерного масштаба», — отметил достоинства установки Геннадий Петрович, в чей круг научных задач входит изучение структуры и свойств наноматериалов.

Прибор позволяет проводить исследования материалов в различном агрегатном состоянии, для чего пользователям доступны разнообразные держатели для образцов: жидкостей, гелей, порошков, пленок и биологических объектов в растворах. Привлекательная особенность установки для специалистов в области изучения наноматериалов — наличие у станции молибденового анода. В частности, это стало еще одним аргументом в пользу выбора Xeuss 3.0 в ЛНФ для представителя ПИЯФ, который в прошлом году, совместно с коллегами из Института химии силикатов РАН (г. Санкт-Петербург), проводил исследование магнитных нанопорошков оксидов железа. Такие нанопорошки широко применяются в био- и агротехнологиях, например, для обработки семян, ведь входящее в состав этого материала железо — необходимый компонент в растительных процессах. Помимо нанопорошков на Xeuss 3.0 исследовались наноалмазы детонационного синтеза, которые также могут применяться в сельскохозяйственном секторе. Работы по синтезу материалов для аграрных технологий, которые включили в себя эти исследования, были поддержаны грантом РНФ. По результатам изучения этих наноматериалов на приборе ЛНФ был выпущен целый ряд совместных с лабораторией публикации.

Другими наноматериалами, который изучал на станции Xeuss 3.0 Геннадий Копица, стали гели. Используя различные методы мягкой химии для их получения, специалисты задают гелям различные свойства. Например, аэрогели обладают высокой пористостью — от 90 до 99 % материала составляют поры, — они могут выступать сорбентами, обладать высокой электропроводностью, малой теплопроводностью и т.д. Потому они применяются в самых разных сферах. “Недавно мы проводили измерения так называемых бинарных аэрогелей, а именно алюминий-титановых, — отмечает Геннадий Копица. — Они находят широкое применение в косметической промышленности. Работы в этом направлении продолжаются”. Ученые из ПИЯФ использовали рентгеновскую станцию для изучения инвертированных аэрогелей, т.е. сочетания аэрогелей с полимерами, а совместно с коллегами из Института общей и неорганической химии РАН (г. Москва) на Xeuss 3.0 проводилось исследование структуры ионогелей, представляющих собой новый класс гибридных материалов, содержащих ионную жидкость, иммобилизованную в твердофазную матрицу. Обладая высокой электропроводностью наряду с эластичностью и устойчивостью к высоким температурам, они, например, могут быть прекрасным проводящим элементом, которому можно придать различную форму. Ученые ЛНФ и ПИЯФ совместно с коллегами из Сербии изучали также углеродный криогель. Данная работа является прекрасным примером использования комплементарных методов исследований: малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновского излучения, в том числе используя методику вариации контраста, − позволившим выяснить природу, а также соотношение открытых и закрытых пор, надмолекулярной структуры криогеля.

“У рентгеновской станции в ЛНФ хорошая чувствительность к границам раздела фаз и высокое разрешение пучков — около 300 нанометров. Это позволяет проводить более точные структурные исследования. Кроме того, потоки на этой установке выше, чем нейтронные”, — подчеркивает ученый из ПИЯФ.

На Xeuss 3.0 изучают и полимеры. Их виды также разнообразны, как и гелей, а важная особенность многих полимеров состоит в том, что они могут иметь эффект памяти формы, что может использоваться в промышленных целях. Перспективны материалы на основе бактериальной целлюлозы, которые сейчас активно синтезируются и изучаются. Бактериальная целлюлоза — это естественный биополимер, продукт жизнедеятельности бактерии. Сейчас большая часть целлюлозной продукции производится из этого наноматериала. Она имеет фибриллярную структуру, т.е. структуру с вытянутыми “стержнями”, которые собираются в так называемые наноленты. Такая структура обуславливает способность бактериальной целлюлозы набирать до 100 мл воды всего на 1 г своего веса. Чтобы подготовить этот наноматериал к практическому использованию его предварительно высушивают. Ученые ПИЯФ использовали станцию ЛНФ ОИЯИ чтобы изучить, как различные методы сушки влияют на структуру, а, значит, и свойства бактериальной целлюлозы. Этой тематике будет посвящен ряд будущих публикаций. Одной из выполняемых сейчас задач на установке Xeuss 3.0 стало изучение свойств бактериальной целлюлозы, высушенной мягким лиофильным способом — препарат был заморожен, а затем помещен в вакуумную камеру для сублимации — и отожженной при 2000 °С в инертной атмосфере. После таких манипуляций был получен пиролитический графит высокой проводимости, что перспективно для промышленного применения.

Среди последних исследований ученого ПИЯФ были также измерения мембран для водородной энергетики. Ученые всего мира пытаются или модифицировать их, или придумать их аналоги. Геннадию Петровичу еще предстоит обработать полученные с помощью станции Xeuss 3.0 результаты.

“Дубна — наше все: на территории России такого прибора больше нигде нет, а уровень компетенции коллег из ОИЯИ очень высок”, — подчеркнул Геннадий Копица.

Уникальная станция Xeuss 3.0 производства французской компании XENOXS была привезена в ЛНФ ОИЯИ в апреле 2021 года. Уже через месяц специалистами проводились тестовые измерения. Пользовательская программа станции пока находится в стадии разработки, однако с момента установки прибора в ЛНФ ученые ОИЯИ и целого ряда научных организаций России — страны местоположения Института — проводят исследования на ней. Xeuss 3.0 позволяет проводить практически весь спектр исследований ОИЯИ с использованием методов рассеяния нейтронов. ЛНФ ОИЯИ предстоит настроить работу установки для измерений при разных температурах, что в дальнейшем еще больше расширит возможности изучения наноматериалов.