Сотрудники международного научно-исследовательского центра (МНИЦ) БФУ им. И. Канта провели исследования материалов с использованием высокоразрешающей рентгеновской микроскопии в условиях высокого давления и температуры. Эксперименты проводились на Европейском центре синхротронного излучения в Гренобль (Франция) совместно с командой Баварского геоинститута (г. Байройт, Германия). Исследователям удалось пронаблюдать фазовые переходы вещества с помощью рентгеновского микроскопа при сверхвысоких температурах (около нескольких тысяч кельвин) и давлениях (около десятков гигапаскалей).
Физика и химия высоких давлений – это область науки, которая позволяет получить фундаментальные сведения о свойствах конденсированных сред, моделировать и изучать процессы, происходящие в недрах Земли и планет, а также создавать новые материалы с уникальными свойствами. Микронные размеры исследуемых образцов не препятствуют использованию самых современных экспериментальных методик исследования веществ в мегабарном диапазоне давлений. Для этих задач служит синхротрон, который способен создать рентгеновское излучение такой яркости, чтобы стало возможным измерить, а потом реконструировать атомарное строение изучаемого образца, изучить его кристаллохимию и его физические свойства.
Давления в сотни тыс. и млн атм. соответствуют степени сжатия вещества в несколько раз. Его структура и свойства при таком сжатии могут кардинально измениться: материалы испытывают серию структурных превращений к более плотным упаковкам атомов. При высоких давлениях с контролем температуры многие вещества испытывают фазовые переходы с образованием необычных состояний – фаз. Высокие давления позволяют синтезировать новые материалы, в том числе с уникальной комбинацией механических, полупроводниковых или металлических свойств.
Благодаря серьезному технологическому развитию физики экстремальных условий, в лаборатории становится возможным моделирование и синтезирование веществ, сходных по свойствам с теми, которые находятся на других планетах и звездах.
Физика и химия экстремальных условий способна ответить на фундаментальные вопросы о строении не только земной коры, но и составе других планет и звезд
Процесс отбора и подготовки рентгеновских линз для эксперимента (слева-направо: Александр Баранников, Ирина Снигирева и Анатолий Снигирев) и процедура настройки схемы высокоразрешающей рентгеновской микроскопии на станции ID15B (справа: Петр Ершов).
Коллеги из Баварского Геоинститута в процессе юстировки лазерной системы нагрева (слева-направо: Георгиос Априлис, Тимофей Федотенко и Егор Коэмец)
Анатолий Снигирев, директор МНИЦ, БФУ им. И. Канта:
“Я очень рад, что наши идеи и разработки по когерентный рентгеновской оптике, когда-то казавшиеся утопией, нашли реальное воплощение на Европейском источнике синхротронного излучения – ESRF. Новая концепция когерентно-ориентированной оптической схемы, предложенная нами 5 лет назад, легла в основу проекта станции высоких давлений ID15B. И вот напряженная работа в течении нескольких лет от идеи, проектирования и строительства станции принесла свои первые практически значимые плоды. То, что нам удалось сделать на станции ID15B, — это скомбинировать высокоразрешающую рентгеновскую фазово-контрастную микроскопию на основе преломляющей оптики с рентгеновской дифрактометрией для исследования объектов внутри специальных алмазных ячеек высокого давления DAC (Diamond Anvil Cell). Нам удалось создать инструмент, который способен не только заглянуть внутрь ячейки, но и выбрать область в которой проводить рентгеноструктурный анализ. Этот успешный проект стал одним из наиболее важных итогов реализации Мегагранта, являясь яркой демонстрацией возможностей нового направления физики когерентного рентгеновского излучения, которое мы последовательно развиваем в МНИЦ БФУ. Я уверен, что наши подходы лягут в основу дизайна станций не только за рубежом но и в России, для синхротронов нового 4-го поколения”.
Леонид Дубровинский, Prof. Dr. Баварский Геоинститут , Байройт, Германия:
“Использование методов рентгеновской микроскопии в сочетании с традиционным рентгеноструктурным анализом открывает совершенно новые возможности в исследовании материалов в экстремальных условиях. Прежде всего это значительно упрощает и ускоряет работу по поиску новых синтезированных фаз, а также дает возможность пронаблюдать за процессом синтеза новых веществ в реальном времени. Лазер, способный нагревать объекты до нескольких тысяч градусов, ограничивает использование оптической микроскопии, т.к. засвечивает фоточувствительную аппаратуру. При этом его абсолютно не видно в рентгеновской области, что позволяет легко наблюдать за реакциями образцов на их нагрев с субмикронным разрешением. Результаты проведённых нами экспериментов превзошли все наши ожидания и безусловно найдут отражение в серьёзных публикациях. Кроме того, синтез дифракции и микроскопии позволяет говорить о начале нового этапа в использовании рентгеновских источников последнего поколения в области физики высоких давлений”.
Петр Ершов, младший научный сотрудник МНИЦ БФУ им. И. Канта:
“Заканчивается год, и отрадно получить новые прорывные экспериментальные результаты. В феврале, на ESRF User Meeting 2018, я делал приглашенный доклад о возможностях метода рентгеновской фазово-контрастной микроскопии на станции ID15B, а спустя полгода нам удалось продемонстрировать ее потенциал. За две недели мы в полной мере показали уникальность и пользу метода для исследований материалов в экстремальных условиях. Сейчас предстоит серьезная работа по обработке полученных данных и их дальнейшей публикации”.
Александр Баранников, магистрант БФУ им. И. Канта:
“Для меня участие в такого рода исследованиях предельно важно, т.к. это значительно расширяет кругозор и квалификацию. Меня впечатлил уровень подготовки и качество проводимых работ, т.к. был задействован не только синхротрон, но и лазеры, способные нагревать объекты до нескольких тысяч градусов, и специальные ячейки высокого давления, способные создавать давления в миллионы раз превышающие атмосферное. Также мы комбинировали несколько исследовательских методик – рентгеновскую дифрактометрию и высокоразрешающую рентгеновскую фазово-контрастную микроскопию. Было полезно узнать не только о техническом исполнении такого эксперимента, но и о научной значимости и проблемах, которые стоят перед ведущими специалистами в физике высоких давлений. Мое участие было организовано за счет средств субсидии, выделенной на реализацию Программы повышения конкурентоспособности в БФУ им. И. Канта”.
