Рентгеновское излучение лаборатории в США, обладающее в 500 раз большей яркостью, даёт возможность в реальном времени наблюдать за возникновением дефектов в материалах. Новый высокоэффективный инструмент, нанозонд In Situ мирового уровня из Аргонна (ISN), расширяет потенциал лабораторной визуализации на линии пучка до сферы исследований «на месте».
Ирина Медведева
Ученый из CNM загружает образец в пучок жесткого рентгеновского нанозонда в APS. Источник: ANL
Учёные США продвигают границы нанонауки, применяя контроль на атомном уровне для ускорения развития в таких областях, как электроника, аккумулирование энергии, катализ, сенсорные системы и медицина.
«В Аргоннской национальной лаборатории работают одни из наиболее одарённых новаторов мира, которые превращают нанонауку в новую волну открытий, переводя идеи, казавшиеся ранее недостижимыми, в разряд реально осуществимых», — заявил Гэри Видеррехт, возглавляющий Центр наномасштабных материалов и отдел нанонауки и технологий.
Практическая значимость подобного инструментария трудно переоценить. Когда исследователь может наблюдать за материалом не в статике, а в динамике — в момент, когда тот подвергается нагрузке, нагреву, воздействию агрессивной среды или электрического поля, — открывается принципиально иной уровень понимания.
Дефекты, которые раньше обнаруживались лишь после завершения эксперимента, теперь могут быть зафиксированы в момент их зарождения. Это позволяет не просто фиксировать последствия, но и выявлять первопричины, что критически важно для создания материалов с заданными свойствами.
На наноуровне свойства способны существенно трансформироваться
Было также отмечено, что современная нанонаука базируется на простой концепции: вещество ведёт себя по-другому, когда его размеры становятся достаточно малыми. На наношкале свойства могут резко изменяться, поскольку квантовые эффекты и силы, действующие на поверхности материала, например электростатические и иные молекулярные взаимодействия, начинают доминировать.
«Нанонаука привлекательна тем, что она изучает удивительные преобразования, которые случаются при уменьшении размеров материалов до наномасштабов, где практически всё начинает функционировать иначе», — отметил Гэри Видеррехт, директор Центра нанонауки и технологий Аргоннской национальной лаборатории.
«На наноуровне возникают новые характеристики — оптические, электрические, химические, — которых нет на более крупных масштабах. Учёные и инженеры используют эти изменения для создания прорывных технологий, которые прежде были неосуществимы».
Аргоннская национальная лаборатория вступила в современный этап нанонауки, располагая глубокими компетенциями в материаловедении, фотонике и передовых измерительных устройствах. На протяжении многих лет её исследователи создавали революционные приборы, меняющие представления учёных о визуализации, понимании и конструировании материи на атомном уровне.
Для таких областей, как аккумулирование энергии или микроэлектроника, подобные наблюдения имеют особое значение. Например, в литий-ионных аккумуляторах процессы, происходящие на границе электрода и электролита, зачастую определяют срок службы устройства. С помощью ISN можно в реальном времени видеть, как образуются и растут дендриты, как меняется структура катода при циклировании, как распределяются механические напряжения.
Эта информация позволяет инженерам целенаправленно модифицировать химический состав или структуру материалов, а не действовать методом проб и ошибок, что значительно ускоряет разработку более эффективных и долговечных батарей.
Аналогичные преимущества проявляются и в катализе. Многие катализаторы, используемые в промышленности, теряют свою активность со временем из-за спекания наночастиц или отравления примесями. Ранее эти процессы были практически невидимы для исследователей, поскольку их невозможно было наблюдать в условиях, приближенных к реальной эксплуатации.
Теперь же учёные могут видеть, как именно перестраивается поверхность катализатора под воздействием реакционной среды, какие промежуточные состояния возникают, и где именно начинается деградация. Это знание открывает путь к созданию катализаторов, устойчивых к длительной работе и более селективных в отношении целевых реакций.
Модернизация повысила яркость рентгеновского излучения в 500 раз
Ускорительный комплекс APS, построенный в 1995 году, является самым ярким в мире источником синхротронного рентгеновского излучения. Его масштабная модернизация, завершённая в 2026 году, увеличила яркость лучей в 500 раз, что позволяет исследователям точнее визуализировать атомные структуры и в реальном времени следить за образованием дефектов при воздействии на материалы различных факторов окружающей среды, как сообщается в пресс-релизе.
Новый мощный инструмент — нанозонд In Situ (ISN) мирового класса, созданный в Аргоннской национальной лаборатории, — выводит возможности лаборатории по визуализации пучков на уровень исследований «in situ», где учёные могут наблюдать, как материалы функционируют, приспосабливаются и разрушаются в реальных условиях. Это ключевой этап на пути к достижениям в энергетике, микроэлектронике, квантовых системах и передовом производстве.
«APS уже считается одним из крупнейших мировых центров изучения вещества», — сказала Сара Виголд, физик из Аргоннской национальной лаборатории. «ISN дополняет эти возможности, добавляя крайне значимый аспект: способность изучать поведение материалов на наноуровне в условиях реальной эксплуатации».
ISN сочетается с дополнительными методами атомно-силовой микроскопии, которые позволяют исследовать материалы на больших расстояниях, в различных временных интервалах и с применением альтернативных способов контрастирования. Вместе эти возможности дают более целостную картину о сложных материалах — от атомных и наноуровневых причин их поведения до характеристик на системном уровне, согласно пресс-релизу.
Не просто новый прибор, а комплексная стратегия
Стоит отметить, что ISN является не просто очередным прибором, а частью комплексной стратегии, объединяющей визуализацию, спектроскопию и атомно-силовую микроскопию. Взаимодополняющие методики позволяют получать данные с разных масштабов — от отдельных атомов до целых структурных элементов.
Такая интеграция даёт возможность строить более полные модели поведения материалов, учитывающие как квантовые эффекты на наноуровне, так и макроскопические отклики. Именно этот синтез данных, полученных в динамике, делает нанонауку по-настоящему прикладной дисциплиной, способной отвечать на вызовы современной промышленности.
Завершение масштабной модернизации APS и ввод в эксплуатацию ISN ознаменовали собой не просто техническое обновление, а переход к новому этапу исследовательской парадигмы.
Вместо статичных изображений, дающих лишь мгновенный срез реальности, наука получает возможность следить за эволюцией материи в реальном времени. Это принципиально меняет скорость и глубину научного прогресса: от фундаментальных вопросов о природе дефектов до прикладных задач создания материалов для квантовых компьютеров, новых источников энергии и сенсоров, способных работать в экстремальных условиях.
Учёные, работающие в Аргонне, уже называют эту эпоху «нанонаукой в действии», подчёркивая, что ключевым фактором становится не просто наблюдение, а способность управлять процессами, которые раньше казались неподвластными контролю.