Американский микроскоп даёт возможность наблюдать атомы, чьи размеры в 100 000 раз уступают толщине человеческого волоса. Это открывает перспективу выпуска машин с меньшей массой. Устройство смонтировано в Национальной лаборатории Ок-Ридж, расположенной в штате Теннесси.
Евгения Васильева
Новый микроскоп в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США (DOE). Источник: ORNL / Карлос Джонс, Министерство энергетики США
Недавно введённый в эксплуатацию в США высокопроизводительный микроскоп способен идентифицировать отдельные атомы, обеспечивая исключительно высокое пространственное разрешение — менее 0,05 нанометра (нм).
Усовершенствованный сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СПЭМ) Thermo Scientific Spectra Ultra размещён в Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США (ORNL), находящейся в Теннесси. Это одна из наиболее передовых установок такого класса в системе национальных лабораторий страны.
Данная технология, нацеленная на ускорение поиска новых материалов, совмещает визуализацию на атомном уровне, быстродействующую спектроскопию и рабочие процессы с применением искусственного интеллекта (ИИ). В Окриджской национальной лаборатории отметили, что она способна содействовать созданию более прочных металлических сплавов, постоянных магнитов и промышленных катализаторов.
Пространственное разрешение микроскопа составляет менее 0,05 нанометра (нм), что даёт возможность различать отдельные атомы. Кроме того, он способен изучать атомную структуру материала, одновременно получая детальную информацию о его химическом составе.
«Новый микроскоп позволяет нам исследовать особенности атомного уровня, от которых зависят прочность и стабильность материала, и тем самым понять, почему один лёгкий сплав сохраняет прочность после многих лет вибрации, нагрева и нагрузок, а другой постепенно теряет её», — пояснил Аллен Хейнс, доктор философии, руководитель консорциума по разработке материалов для силовых агрегатов Министерства энергетики США.
Отдельное направление работы связано с изучением границ зёрен в металлах. Именно межзёренные границы во многом отвечают за прочность и коррозионную стойкость сплавов, однако их атомное строение долгое время оставалось труднодоступным для прямого наблюдения. Новый микроскоп позволяет одновременно получать изображение атомной решётки и карту распределения химических элементов вдоль границы, что даёт возможность целенаправленно изменять состав сплава и режимы его обработки.
Как подчеркнул Хейнс, подобные результаты принципиально важны для создания новых материалов. «Эти открытия помогут разрабатывать более лёгкие, прочные и стабильные сплавы для транспортных средств будущего», — заявил он. Это способно проложить дорогу к выпуску машин с меньшей массой.
Перспективные направления применения микроскопа в материаловедении
Микроскоп может дополнительно повысить качество постоянных магнитов, применяемых в электродвигателях. К примеру, он показывает, как размещены ключевые минералы внутри магнитов, и помогает подыскать их заменители, устойчивые к высоким температурам.
В области магнитов исследователи рассчитывают с помощью прибора разобраться в причинах падения намагниченности при нагреве. Постоянные магниты на основе редкоземельных элементов широко применяются в электродвигателях, и их замена на более доступные аналоги требует понимания того, как именно примеси и структурные несовершенства влияют на магнитные свойства. Данные, получаемые на атомном уровне, позволяют проверять гипотезы о механизмах размагничивания быстрее, чем при использовании традиционных методов испытаний.
Хейнс объяснил, что прибор также способен продлить срок службы катализаторов для топливных элементов, химического производства и изготовления удобрений. «В совокупности эти возможности дают учёным более глубокое понимание принципов работы материалов и знания, необходимые для разработки новых материалов для технологий следующего поколения, которые от них зависят», — заявили исследователи.
Катализаторы представляют собой ещё одну область применения. Эффективность катализатора зависит от расположения атомов на поверхности и от того, как она меняется под воздействием температуры и химической среды. Микроскоп даёт возможность наблюдать эти изменения в реальном времени, что особенно важно для разработки более долговечных катализаторов топливных элементов и установок по производству удобрений. Снижение стоимости и увеличение срока службы таких материалов напрямую влияет на экономику соответствующих отраслей.
Новый прибор уже задействован в нескольких исследовательских программах лаборатории, в том числе в проектах по изучению радиационно-стойких конструкционных материалов для реакторов следующего поколения. Способность различать отдельные атомы позволяет фиксировать ранние стадии деградации сплавов — образование микроскопических пор, скоплений примесей и зародышей трещин, — которые прежде оставались вне поля зрения исследователей. Именно на этих стадиях, как отмечают специалисты, закладываются процессы, определяющие ресурс детали спустя годы эксплуатации.
Ускорение исследований
По словам учёных, в дальнейшем устройство можно будет автоматизировать с помощью искусственного интеллекта. Для этого команда приступила к работе над автоматизированными рабочими процессами, которые позволят собирать и проверять большие объёмы данных без необходимости вручную тестировать каждый образец.
«Автоматизация отдельных этапов рабочего процесса предоставит исследователям куда более обширные наборы данных, которые позволят лучше понять наноструктуры, определяющие эффективность и долговечность современных материалов», — заявил в пресс-релизе. Дэвид Каллен, доктор философии, сотрудник отдела исследований и разработок группы прикладного микроанализа и термофизики Окриджской национальной лаборатории.
Эта технология способна выявлять значимые закономерности в материалах и содействовать ускорению исследований. «Всё это рассчитано на высокую производительность», — поделился Каллен. «Мы разрабатываем автономные методы микроскопии, которые могут повысить скорость получения научных знаний».
Помимо этого, новый микроскоп поможет команде отслеживать изменения в материалах с течением времени и обнаруживать скрытые дефекты. «Что касается транспортных средств, автопроизводители давно ищут более лёгкие металлы, которые могли бы повысить топливную экономичность и увеличить запас хода без ущерба для безопасности и долговечности, — заключили исследователи. — Чтобы достичь этого баланса, необходимо понимать, как меняется материал в процессе многолетней эксплуатации».
Наконец, автоматизация экспериментов рассматривается как ключевой элемент дальнейшего развития установки. Ручной анализ образцов ограничивает пропускную способность исследований, тогда как программные алгоритмы способны отбирать перспективные участки образца и обрабатывать результаты измерений без постоянного участия оператора.
В лаборатории подчёркивают, что цель таких разработок — не замена исследователя, а расширение масштаба экспериментов, при котором накопление данных становится непрерывным процессом.
Ранее мы сообщали, что Китай начинает серийный выпуск просвечивающего электронного микроскопа с ускоряющим напряжением 200 кВ и разрешением 0,1 нм.
