В Соединенных Штатах был введен в эксплуатацию специально сконструированный электронный микроскоп, способный кардинально изменить подходы к изучению аккумуляторов, полупроводников, квантовых вычислений и новых материалов.
Ирина Медведева
Репрезентативное изображение электронного микроскопа. Источник: Джонатан Пау / Getty Images
Микроскоп для анализа атомной структуры
Этот уникальный прибор установлен в Центре функциональных наноматериалов (CFN) при Брукхейвенской национальной лаборатории, которая подчиняется Министерству энергетики США. Главная его особенность — система фильтрации, обеспечивающая энергетическое разрешение, которое в 200 раз превосходит показатели существующих аналогов.
Микроскоп разрабатывался специально для данной лаборатории. Он дает возможность исследователям одновременно анализировать атомную структуру, химический состав и электронные свойства материалов с беспрецедентной детализацией. Три этих параметра могут изучаться в ходе одного эксперимента, что раньше было недоступно.
Как отмечают ученые, новое оборудование закрывает давний разрыв между электронной микроскопией и мощными синхротронными рентгеновскими установками. «Мы действительно вышли за рамки того, что считалось возможным для современных микроскопов», — заявил Имэй Чжу, старший физик и руководитель группы передовой электронной микроскопии в Брукхейвенской лаборатории.
Особое значение новое оборудование имеет для разработки материалов будущего, в частности для водородной энергетики и систем хранения энергии. Традиционные методы исследования часто не позволяли увидеть, что происходит на границе раздела между электродом и электролитом в аккумуляторе или топливном элементе.
Теперь же, благодаря двум детекторам и низковольтному режиму работы, ученые могут изучать эти границы раздела без разрушения образца. Можно будет наблюдать, как атомы лития внедряются в структуру анода при зарядке и покидают ее при разрядке, формируя так называемый твердый электролитный интерфейс. Понимание этих процессов на атомарном уровне позволит инженерам создавать батареи, которые не теряют емкость после тысяч циклов и заряжаются за считанные минуты, а не часы.
В основе – четыре технологии
Микроскоп включает четыре значительных технологических прорыва. Одна из уникальных деталей — пара детекторов вторичных электронов, которые позволяют одновременно получать изображения обеих сторон образца с атомарной точностью. Эта функция особенно важна для исследования катализаторов — веществ, ускоряющих химические реакции, используемые для преобразования и хранения энергии.
Понимание изменений поверхности катализатора в процессе работы может помочь создать более эффективные аккумуляторы, топливные элементы и другие экологичные энергетические технологии. «С этим оборудованием мы можем изучать обе стороны катализатора до и после реакции, чтобы получить целостную картину того, как меняется его структура и как это влияет на химические свойства», — пояснила Джудит Янг, руководитель группы электронной микроскопии в CFN.
Кроме того, микроскоп существенно улучшает спектроскопию потерь энергии электронами (СПЭЭ) — метод, измеряющий, как электроны теряют энергию при прохождении через материал. Оптическая система была модернизирована, что расширило диапазон измеряемых энергий более чем в пять раз. Это позволяет анализировать степени окисления и химические связи, например, отслеживая изменения в материалах аккумуляторов во время их зарядки и разрядки.
Система фильтрации энергии представляет собой еще один крупный прорыв. Она дает энергетическое разрешение в 200 раз выше, чем у существующих электронных микроскопов. Это усовершенствование открывает доступ к энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии с разрешением по импульсу. Теперь команда может изучать квазичастицы — фононы, магноны, плазмоны и другие электронные возбуждения, которые определяют, как материалы проводят тепло, реагируют на магнитные поля и взаимодействуют с электричеством и светом.
Прибор работает при напряжении всего 20 кэВ, что значительно ниже стандартных 100–300 кэВ для большинства электронных микроскопов. Это снижает риск повреждения хрупких материалов и позволяет получать изображения на атомном уровне. Поэтому система особенно подходит для исследования двумерных квантовых материалов, толщина которых составляет всего один или несколько атомов. «Электроны с более низким напряжением не только лучше рассеиваются, но и наносят меньше вреда чувствительным образцам», — подчеркнул Имэй Чжу в пресс-релизе.
Джудит Янг, Имэй Чжу и Суён Хван работают с электронным микроскопом в Центре функциональных наноматериалов Брукхейвенской национальной лаборатории. Фото: Кевин Кофлин / Брукхейвенская национальная лаборатория. bnl.gov
Дальнейшее развитие технологии
Программное обеспечение микроскопа основано на Python и поддерживает удаленное управление. Это может привести к созданию автономных систем микроскопии с использованием машинного обучения, что повысит эффективность экспериментов.
В ближайшее время к нему добавится второй новый электронный микроскоп. «Этот прибор открывает возможности для совершенно новых экспериментов, — сказала Суён Хван, доцент Университета Донгук в Южной Корее, участвовавшая в приобретении микроскопа. — Он позволит CFN решать научные задачи, которые раньше были недостижимы, и мы с нетерпением ждем, какие открытия сделают пользователи».
Дальнейшее развитие технологий и методов исследования, связанных с новым микроскопом, открывает перспективы для фундаментальной науки, которые еще недавно казались областью теоретической фантастики. Возможность одновременно видеть атомы, их химическое окружение и то, как электроны движутся внутри материала, позволяет ученым в буквальном смысле наблюдать за рождением и гибелью квантовых состояний.
Например, в области квантовых вычислений исследователи смогут в реальном времени отслеживать, как дефекты кристаллической решетки влияют на кубиты — мельчайшие единицы квантовой информации. Понимание того, как атомарные нарушения рассеивают или, наоборот, удерживают электроны, может стать ключом к созданию стабильных квантовых процессоров, работающих при более высоких температурах, чем современные образцы, требующие экстремального охлаждения.
Энергетическое разрешение, в 200 раз превосходящее существующие стандарты электронных микроскопов, в сочетании с возможностью анализа квазичастиц, таких как фононы и магноны, открывает окно в мир термоэлектрических материалов и спинтроники.
Исследователи смогут не просто измерять теплопроводность материала, а видеть, как именно фононы — кванты колебаний решетки — переносят тепло, сталкиваются с дефектами или рассеиваются на границах зерен. Это критически важно для создания высокоэффективных термоэлектрических генераторов, которые превращают тепло в электричество.
В спинтронике, где информация кодируется не зарядом, а спином электрона, умение управлять магнонами — спиновыми волнами — обещает революцию в логике и памяти. Микроскоп Брукхейвена дает инструмент для прямой визуализации этих волн, что невозможно было сделать с прежним оборудованием.
Интеграция оборудования в мировую научную сеть
Программная платформа на основе Python и поддержка удаленного управления означают, что микроскоп может стать частью глобальной сети научных инструментов. Исследователи из университетов и лабораторий по всему миру смогут проводить эксперименты, не покидая своих кабинетов.
Более того, интеграция с машинным обучением позволяет автоматизировать рутинные операции: нейросеть сможет самостоятельно настраивать фокусировку, выбирать оптимальные параметры для конкретного образца или даже проводить серию тестов, выявляя наиболее интересные участки материала для детального изучения.
Это радикально ускорит темпы научных открытий, превращая микроскоп из пассивного инструмента наблюдения в активного участника исследовательского процесса, способного подсказывать ученому, куда направить внимание.
С учетом того, что через некоторое время к системе добавится второй такой же микроскоп, Брукхейвенская лаборатория фактически создает кластер электронной микроскопии нового поколения. Два прибора, работающие в тандеме, позволят проводить корреляционные исследования: один образец можно будет одновременно изучать на разных микроскопах или проводить длительные эксперименты на одном, пока второй настраивается для других задач.
Коллективный опыт ученых CFN, объединенный с этим оборудованием, обещает не просто постепенное улучшение существующих технологий, а качественный скачок. Возможно, уже в ближайшие годы мы станем свидетелями открытия новых классов сверхпроводников, работающих при комнатной температуре, или материалов с уникальной топологической защитой, что изменит облик всей электроники и энергетики.
