Область применения. Воронежские физики предложили новый подход к изучению наноматериалов

Ученые физфака ВГУ совместно с коллегами из других стран предложили доступный и эффективный способ исследования свойств твердотельных наноматериалов. Метод позволяет изучить развитую поверхность образца наноструктуры, от которой зависят ее свойства. Чем полезен предложенный подход и как ученые к нему пришли, – в материале РИА «Воронеж».

Научная группа

Новый подход считается совместной русско-немецкой разработкой. Вклад зарубежных коллег практический – они участвовали в экспериментах и получали наноструктуры, на которых ученые ВГУ продемонстрировали предложенный подход к их изучению. Сам же подход год назад разработала в стенах физического факультета группа физиков-энтузиастов: несколько научных сотрудников и одна студентка.

Руководитель научной группы, доктор физико-математических наук, доцент Сергей Турищев, увлекался наукой с детства, так как рос в семье физиков.

– Понимаете, физика – как детектив. Вокруг нас полно фактов и «улик». Главное – как вы соберете данные и как потом их проинтерпретируете, – считает Турищев.

Детство он провел в Тбилиси. В 1990-х семья переехала в Воронеж.

– Ехали в неизвестность, у нас тут не было родственников, были только близкие друзья, – вспомнил Сергей Турищев.

Он окончил школу уже в столице Черноземья и поступил на физфак.

Второй член группы – научный сотрудник, кандидат физико-математических наук ВГУ Елена Паринова – автор собственного научного проекта и участник международной научной группы. Сложно поверить, но в школе физика давалась Лене хуже других предметов.

– Я для себя сделала такой вывод: раз уж для меня это сложнее всего, то поступать буду только на физфак. Такой вот вызов самой себе, – смеется девушка.

Самая юная участница группы – Александра Пислярук, обучающаяся на первом курсе магистратуры. Девушка шутит, что пошла на физический факультет потому, что тут мало математики, а считать она с детства не любит, хотя ее родители и экономисты.

Поступив на физический факультет, девушка решила попробовать свои силы в «большой науке» и попросилась участвовать в экспериментах.

– К нам приходит много студентов, но не все хорошо справляются. Саша одна из немногих, кто все делает с первого раза и хорошо. Работу, на которую другие ребята могут потратить длительное время, она выполняет эффективно и скоро, – похвалила юную коллегу Елена Паринова.

Еще одним участником эксперимента стал младший научный сотрудник физического факультета ВГУ Дмитрий Коюда – тот самый молодой ученый, который организовал первый в Воронеже научный слэм и «Турнир трех наук».

Работа над проектом

Началась с того, что коллеги – физики из Германии прислали любопытный образец наноматериала из кремния. Научная группа собралась на кафедре и стала обсуждать, какой эксперимент можно с ним провести. Решено было изучить структуру, а также атомное и электронное строение – фундаментальные свойства материала.

Наноматериалы – вещества с необычными структурой и свойствами. Они состоят из наночастиц, малый размер которых, от 1 до 100 нанометров (нанометр – одна миллиардная метра), может приводить к полному изменению свойств материала, состоящего из них.

– У таких субстанций начинают проявляться свойства, которых не было в обычном состоянии. То, что обычно не светится, начинает светиться, то, что не излучало, начинает излучать, и наоборот, – пояснил Сергей Турищев.

Одна из причин необычных свойств наноматериалов в том, что у них очень «развитая» поверхность, по сравнению с которой вклад внутренней, «объемной» части частичек, может быть незначителен. Поверхность есть у самого материала в целом, и каждая наночастичка в нем тоже имеет поверхность. Физики понимали: весь материал – и в целом, и с точки зрения каждой составляющей его частички, на общей поверхности образца материала и в его глубине, – надо изучать детально и тщательно.

На разработку основ предложенного подхода у научной группы ушло несколько недель подготовки. Первая проблема, с которой столкнулись ученые: свойство кремния – вступать в реакцию с кислородом и окисляться.

– В природе мы никогда не увидим поверхность кремния в чистом виде – только «естественный» оксид. Это твердая «корочка», которая образуется на его поверхности при контакте с воздухом. Она очень тоненькая – несколько нанометров. Но для нас это много. Чтобы изучать собственно наноматериал, вклад поверхности нужно обязательно принимать во внимание. Мы решили модифицировать материал механически, скальпелем. На нашем жаргоне мы называем это действие «побрить», – сообщил Дмитрий Коюда.

«Брить» образец на открытом воздухе было нельзя: свежий срез снова бы вступил в реакцию с кислородом и окислился. Это пришлось сделать в перчаточном шкафу – специальном аппарате, который позволяет выполнять манипуляции в среде, отличной от естественной.

В случае предложенного физиками ВГУ подхода в шкаф закачивался инертный газ – аргон. Он не вступает в реакцию с кремнием. В атмосфере аргона и проводилось механическое скалывание – то самое «сбривание» части структуры.

Следующая фаза эксперимента заключалась в том, чтобы изучить образец при помощи рентгеновских лучей и специальных методов на их основе. Обычный рентгеновский аппарат, который стоит почти в каждой больнице, для этих целей не годился. Нужен был гораздо более мощный источник с широким диапазоном характеристик излучения. Ученые физфака ВГУ 17 лет проводят опыт на синхротроне в Германии. Это гигантская установка, которая занимает площадь в несколько тысяч квадратных метров. Прибор сильно разгоняет электроны, в результате чего с них буквально «срываются» потоки фотонов, образуя очень яркое излучение.

– По сути, синхротрон – источник очень интенсивного излучения, в том числе рентгеновского. Кроме того, в отличие от «лабораторных» установок, он позволяет легко менять длину волны, а для нашей работы это важно, – отметил Сергей Турищев. Такие установки принято называть установками класса «мегасайенс».

Работая на синхротроне, воронежские физики применяют методы и методики, которыми обычно изучают поверхность. При этом, используя одновременно исходную и механически «сбритую» части единой наноструктуры и специальный способ переноса в синхротронный прибор без воздействия на нее воздуха, они добились того, что не получалось еще ни у кого: прозондировать развитую поверхность наноматериала «в глубине», впоследствии получив ее изображение в электронном микроскопе. Они словно посмотрели на материал в разрезе, не нарушая его целостности.

Чем полезно открытие физиков?

Необычная структура наноматериалов позволяет придавать им необычайные свойства. К примеру, можно сделать вещество сверхпрочным или заставить его во много раз лучше проводить электричество. Простой метод, который придумали воронежские ученые, позволяет более полно и точно предсказать возможные свойства наноматериалов и понять, в каких областях их можно использовать.

– Наноматериалы сначала нужно получить, потом исследовать их фундаментальные характеристики, такие как состав и структура, атомное и электронное строение. И только после этого изучать их свойства в теории и эксперименте и внедрять их в производство. Однако так происходит в идеальном случае. В реальной жизни зачастую после получения исследуются сразу свойства этих материалов, без детального теоретического и экспериментального изучения фундаментальных характеристик. Иногда наноматериалы и структуры на их основе просто тестируются: «подойдет – не подойдет». Это похоже на поиски черной кошки в темной комнате, и часто оказывается, что ее там нет. Благодаря предложенному нами подходу понимание фундаментальных характеристик стало в прямом и переносном смысле глубже, можно более точно предсказать свойства наноматериалов и наноструктур, – пояснил Сергей Турищев.

Как коллеги оценили новый метод?

Результаты работы интернациональной группы опубликовали в 2019 году в престижном научном журнале Scientific Reports группы журналов Nature Research (ранее известной как Nature Publishing Group) издательства Springer Nature.

– В таких изданиях серьезные научные рецензенты и сложный отбор статей. Это известные ученые, которые оценивают вашу работу. У нас было не менее трех рецензентов. Они изучали нашу работу около полугода. В результате после нескольких этапов доработки все дали положительные рецензии. Для меня, как для ученого, это удивительно. Обычно процесс длится дольше, приходится отвечать на негативные отзывы, обсуждать, дорабатывать. Даже наши немецкие коллеги удивились такой оценке, – отметил Сергей Турищев.

Несмотря на то, что статья вышла в научном журнале совсем недавно, предложенным подходом уже начали пользоваться другие ученые.

– В научном мире так положено: когда ты используешь чужую работу в своем эксперименте, ты делаешь ссылку на ее авторов. Хотя наш проект совсем свежий, одну ссылку мы уже получили. Надеемся, что этот метод и дальше будет активно использоваться и приносить пользу, – рассказал Турищев.

Научный коллектив физфака ВГУ благодарен группе «Полупроводниковые наноструктуры» и ее руководителю доктору Владимиру Сивакову из Института фотонных технологий Ассоциации Лейбница (Йена, Германия) за долгое и плодотворное сотрудничество, а также коллективу Российско-Германской лаборатории синхротрона BESSY II Гельмогольц Центра Берлин (Германия). Выполненную работу поддержал Российский научный фонд в рамках проекта 17-72-10287.