Российские ученые создали исследовательский 3D-сканер — устройство, которое позволяет получать «карту» сложных композитов на атомном уровне. Разработка будет востребована для контроля материалов, в которых важна однородность структуры. Например, спецсталей в активной зоне ядерных реакторов или жаропрочных сплавов для авиадвигателей. Также новый прибор поможет освоить природоподобные технологии и обратную «инженерию» материалов, созданных естественных путем, полагают эксперты.
Как прибор разбирает образцы на отдельные атомы
Ученые НИЯУ «МИФИ» создали 3D-сканер — устройство, которое позволит «разобрать» вещество на атомы и построить трехмерную карту распределения в нем химических элементов. Разработка позволит специалистам получать умные материалы нового поколения. Об этом «Известиям» рассказали в Минобрнауки РФ.
— Прибор действует следующим образом: сначала в него помещают образец, затем вещество лазерными импульсами испаряют наноскопическими порциями. В каждой из них — по одному-два атома. Одновременно химический состав испаренных частиц определяется методами масс-спектроскопии — по массе, которая вычисляется по времени пролета этих частиц от образца до детектора. При этом образцы находятся в вакууме и в охлажденном состоянии до криогенных температур, — рассказал «Известиям» заместитель заведующего кафедрой «Физика экстремальных состояний вещества» НИЯУ «МИФИ» Сергей Рогожкин.
Полученные данные обрабатываются на компьютере, в результате чего формируется трехмерная карта расположения атомов в образце. Такая модель может включать сотни миллионов атомов. Как отметил ученый, подобные исследования особенно важны для изучения сложных композитов и сплавов. Эти материалы содержат множество компонентов, и на их конечные свойства могут существенно влиять даже количественно ничтожные примеси, формирующие наноразмерные структуры.
— Специалисты давно поняли, что свойства материалов в значительной степени определяются их структурой. Возьмем, к примеру, алмаз и графит — оба состоят из углерода, но из-за разного порядка атомов это совершенно разные минералы. Структурные особенности на глубоком уровне могут кардинально менять их свойства, особенно на наноуровне. Прорывное значение разработки — в том, что она дает инструмент контроля свойств на этом масштабе, — пояснил Сергей Рогожкин.
Как наноструктуры формируют свойства материалов
По его словам, современное материаловедение работает с очень малыми масштабами. Например, характерные размеры в современных чипах для микроэлектроники — единицы нанометров. А один нанометр — это цепочка из 3–4 атомов. Чтобы создавать такие «тонкие» материалы, нужны инструменты для их точной диагностики и контроля.
— В процессе эксплуатации ядерного реактора под действием радиации и высоких температур в его корпусе могут возникать вредные дефекты, которые делают материал хрупким. Чтобы его «вылечить», нужно сначала поставить диагноз — то есть увидеть такие структуры, а затем назначить терапию. Наш прибор позволяет это сделать: поняв причину, найти способ ее устранить. Например, с помощью отжига, — добавил Сергей Рогожкин.
Также прибор открывает путь к созданию материалов будущего на основе природоподобных технологий. В частности, изучение твердых биологических тканей, таких как хрящи и кости, дает возможность понять принципы распределения в них отдельных элементов и воспроизвести их в искусственных конструкциях. Например, в медицинских имплантатах или в новых материалах для домов, машин или космических аппаратов.
Одно из достоинств установки, отметил исследователь, — преимущественно отечественная компонентная база. Это позволяет изготавливать серийные образцы в разы дешевле, чем зарубежные аналоги, и дорабатывать устройства в соответствии с запросами эксплуатирующих организаций.
Кроме того, специалисты разработали и запатентовали собственное программное обеспечение, которое позволяет как управлять исследовательским комплексом, так и самостоятельно обрабатывать полученные данные.
Как атомный томограф ускорит создание умных материалов
— Развитие умных материалов напрямую связано с возможностью изучать и контролировать в них формирование наноструктурированных областей. Трехмерная «карта» элементов позволяет понимать, какие особенности структуры определяют его прочность, жаростойкость, долговечность и другие характеристики, — объяснил «Известиям» заведующий лабораторией Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН, доцент Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» Вадим Попков.
Ценность таких разработок в том, что они сокращают путь к промышленным технологиям. Чем точнее ученые понимают структурную организацию материала, тем быстрее могут создавать эффективные сплавы, покрытия и керамику под конкретные задачи, добавил он.
— Наличие отечественной альтернативы важно с точки зрения суверенитета и безопасности. Предложенный комплекс относится к передовому и сложному способу определения химического состава материалов на атомном уровне. Создание такого прибора — важный шаг для российской науки, — прокомментировал старший преподаватель центра цифрового конструирования Сколтеха Алексей Салимон.
По его мнению, наличие таких инструментов востребовано в широком спектре задач. Например, прочность алюминиевых сплавов, который применяют для самолетов, автомобилей и другой техники, зависит не только от самого металла, но и от микроскопических частиц-добавок (преципитатов), которые равномерно «рассыпаны» внутри него.
— Конкретно разработка ученых МИФИ поможет создателям наноструктурированных материалов при отработке наиболее совершенных технологий производства, — считает завкафедрой экологии и безопасности жизнедеятельности, доцент кафедры химии Самарского университета им. С.П. Королева Владимир Платонов.
По его словам, такие материалы могут быть также востребованы в медицине, атомной промышленности, строительстве, авиации, космической индустрии. Например, спецсталей в активной зоне ядерных реакторов или жаропрочных сплавов для авиадвигателей.
— Стоит отметить, что первый лабораторный образец установки был создан в рамках Единого отраслевого тематического плана (ЕОТП) «Росатома». Назначение разработки — ускоренные испытания материалов. В основу была заложена концепция, что его деградация под действием радиационного облучения и других факторов имеет накопительный эффект и зависит от дозы облучения, — сообщил директор по разработке научно-технических проектов ЕОТП частного учреждения «Наука и инновации» (входит в «Росатом») Иван Сафонов.
При этом была принята гипотеза, что деградация начинается с «малых» изменений. В результате за ранними наноскопическими изменениями можно предсказать, как материал будет вести себя после многих лет эксплуатации, добавил он.
В то же время, отметил эксперт, следует иметь в виду «узкие» места технологии. В том числе, к примеру, нужно понимать, справедливо ли по поведению отдельных кластеров делать выводы о состоянии всего массивного объекта.