3-я Всероссийская конференция
«Методы исследования состава и структуры функциональных материалов»
1-4 сентября 2020 г., Новосибирск, Россия
http://conf.nsc.ru/missfm-3/ru
1-4 сентября 2020 года в Новосибирском научном центре состоялась 3-я Всероссийская научная конференция «Методы исследования состава и структуры функциональных материалов». Конференция проводилась в режиме онлайн. Основными организаторами конференции являлись Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Новосибирский государственный университет, со-организаторами стали Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирский Институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН, Научный Совет по катализу.
Создание новых материалов и технологий – несомненный приоритет технологически развитых стран, стремящихся к высокому экономическому уровню. Материаловедением считают прикладную науку о взаимосвязи состава, строения и свойств материалов. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии твердого тела, при этом разработка новых методов исследования строения, структуры, состава и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развитию материаловедческих областей науки. Впечатляющими темпами развиваются технологии получения и методы характеризации широкого спектра функциональных материалов, в том числе магнитных и оптических материалов, полупроводников, сверхпроводников, химических источников тока, люминофоров, термохромных материалов, катализаторов, сорбентов, мембран, полимеров, а также наноматериалов, предназначенных для электроники, фотоники, информационных технологий, здравоохранения и экологии. Значение методов исследования состава и структуры функциональных материалов особенно велико как для целенаправленной оптимизации их свойств, так и для контроля качества при их производстве. Определение характеристик химического состава и структуры функциональных материалов является необходимым элементом исследований на всех этапах их синтеза, промышленного производства, при сертификации конечной продукции, а также в процессе эксплуатации.
Отличительной чертой конференции МИССФМ является ее междисциплинарный характер и приверженность обсуждению фундаментальных аспектов теории и практических подходов к методологии исследования состава и структуры широкого круга функциональных материалов.
Особое внимание на конференции МИССФМ-3 было уделено методам исследования наноструктурированных материалов с использованием синхротронного излучения, в том числе, в режимах in situ и operando (высокие температуры, давления, различные газовые и среды и т.д., имитирующие работу материала или устройства непосредственно в условиях его эксплуатации). Структурная сложность многих функциональных материалов требует применения методов исследования, выходящих далеко за рамки стандартного рентгеноструктурного анализа, а именно, установления структуры на разных уровнях организации вещества – от кристаллической структуры, локальной структуры атомного окружения и структуры поверхности до различных иерархических уровней нано- и микроструктуры. Разработка новых методов анализа применительно к структурным задачам стимулируется развитием экспериментальной техники (в частности, совершенствованием синхротронных источников, рентгенооптических элементов и детекторов, усложнением электронных микроскопов и систем пробоподготовки к ним) и определяется задачами экспресс-диагностики конденсированных сред, возможностью нового, синергетического использования большого объема дифракционных, спектральных, электронно-микроскопических и иных данных для решения актуальных задач современного материаловедения. Для всесторонней диагностики материалов используется широкий набор различных химических и физических методов, работают многочисленные коллективы исследователей. Поэтому стала очевидной необходимость критически рассмотреть и оценить возможности и области применения этих методов для решения междисциплинарных задач исследования всего спектра характеристик состава и структуры функциональных материалов и с учетом выявленных трендов сформировать общую программу развития данной области.
Конференция МИССФМ-3 собрала около 200 участников из 30 городов России, двух городов Германии и одного города Швеции. В рамках научной программы конференции было представлено 6 пленарных лекций, 6 ключевых лекций, 3 презентационных доклада, включая мастер-класс, 80 устных докладов, 33 устных доклада в Секции молодых ученых, 14 устных флэш-презентаций стендовой сессии, а также 39 стендовых докладов, размещенных на сайте конференции в формате PDF презентаций. Для обсуждения PDF презентаций стендовых докладов и проведения дискуссий по их содержанию был создан форум на основе сервиса Google Groups, который стал очень популярным среди участников.
Конференция была открыта двумя параллельными утренними сессиями Секции молодых ученых. Официальное открытие форума было назначено и состоялось после полудня для удобства участия в нем максимального количества исследователей – от Западной Европы до Дальнего Востока, с учетом того, что Новосибирск находится практически в центре часовых поясов. Европейские участники, желающие послушать представленные на утренней сессии доклады молодых ученых, имели доступ к их видео-записям.
На официальном открытии выступили председатель Научного комитета конференции, директор Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН (ИК СО РАН), академик РАН, профессор Валерий Иванович Бухтияров; председатель конференции, заместитель директора ИК СО РАН, д.х.н. Олег Николаевич Мартьянов; заместитель председателя Научного комитета конференции, заместитель директора ИК СО РАН, член Программного комитета конференции, к.х.н. Алексей Анатольевич Ведягин; председатель Программного комитета конференции, заведующий лабораторией перспективных синхротронных методов исследования ИК СО РАН, д.ф.-м.н. Ян Витаутасович Зубавичус; заместитель председателя конферен-ции, заведующий лабораторией структурных методов ИК СО РАН, член Программного комитета конференции, д.ф.-м.н. Сергей Васильевич Цыбуля.
С теплым приветствием к участникам обратился Валерий Иванович Бухтияров, выразив свой интерес к новому формату мероприятия, а особенно к опыту проведения стендовой сессии и интерактивного вечернего фуршета, поскольку как организаторы, так и участники в осуществлении этих новшеств практически являлись первопроходцами. Переходя к научной составляющей конференции, Валерий Иванович отметил, что именно развитие физических методов и их профессиональное использование позволяют прийти к решению основных фундаментальных вопросов катализа. Институт катализа всегда активно участвовал в развитии физических методов, поэтому в свое время он стал организатором этой конференции. Задачей конференции МИССФМ-3 он обозначил возможность собрать вместе исследователей, развивающих разные физические методы, чтобы они могли определить тот набор адекватных методов, который позволил бы свести воедино данные об изучаемом объекте. Развитие физических методов определяется в том числе созданием синхротронных центров. Поскольку исследователи Института катализа активно используют существующие два центра в России, а также и гораздо более мощные международные центры, в 2018 году на встрече с В.В. Путиным Институт катализа вместе с Институтом ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН выступил инициатором создания Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (СКИФ). В конечном итоге появился Указ Президента о развитии сети установок класса «MEGASCIENCE», куда попал и ЦКП «СКИФ». В заключение Валерий Иванович рассказал о характеристиках проектируемого источника фотонов, о планах и сроках осуществления проекта, о проделанных на сегодняшний день работах, достигнутых договоренностях и подписанных контрактах.
Олег Николаевич Мартьянов, также отметив необычный формат конференции, напомнил, что тенденция и логика прогресса современной науки свидетельствуют о том, что наиболее яркие результаты получаются в различных областях с использованием открывшихся экспериментальных возможностей. При этом он привел в пример последние работы, удостоенные нобелевских премий в области физики, биологии, химии. В развитие мыслей, высказанных Валерием Ивановичем Бухтияровым, Олег Николаевич подтвердил, что каким бы уникальным ни был тот или иной метод, на разных уровнях для решения научных задач требуется комплекс взаимодополняющих методов, которые позволяют найти место для новых экспериментальных возможностей по решению многофункциональных задач. Поэтому Центры коллективного пользования, которые используют настолько разные методы исследования, что их объединение на первый взгляд выглядит непонятным, получают конкурентное преимущество. Направления их деятельности повторяют тематику конференции МИССФМ-3, которая практически и является мостиком для разных методов исследований. Поэтому она очень востребована и вызывает большой интерес.
Алексей Анатольевич Ведягин рассмотрел организационные моменты предстоящей конференции, напомнив о некоторых ограничениях, которые накладывает разница в часовых поясах участников вследствие их географической удаленности друг от друга. Стремление ученых из разных географических точек принять участие в работе конференции, с одной стороны, очень радует и является ярким показателем интереса к форуму, но, с другой стороны, усложняет формирование расписания заседаний. Алексей Анатольевич подчеркнул, что организаторы сделали все возможное, чтобы создать удобную сетку для эффективного и комфортного участия в научных сессиях, обеспечив общий доступ к записям докладов в случае необходимости. Возглавляя работу команды научно-технических модераторов онлайн сервиса, он напомнил участникам правила использования платформы ZOOM при представлении докладов и участии в дискуссиях. Алексей Анатольевич, будучи руководителем Отдела материаловедения и функциональных материалов, выразил уверенность что на конференции будут представлены новые подходы к различным методам исследования функциональных свойств материалов, в том числе таких, которые ранее оставались невостребованными, поскольку их доступность определяет эффективность использования материалов.
Ян Витаутасович Зубавичус посвятил свое приветственное выступление основной официальной подтеме научной программы конференции – использованию синхротронного излучения. Акцен¬тирование этой тематики связано с тем, что ИК СО РАН в консорциуме с целым рядом сибирских институтов ведет очень крупный проект по созданию в Новосибирской области суперсовременного нового Центра синхротронного излучения поколения 4+. Это даст большой толчок развитию науки не только в Сибирском регионе, но и во всей России. Научное сообщество на данный момент должно определить, какие задачи будут решаться на синхротронном источнике, поскольку это будет междисциплинарный, многофункциональный исследовательский центр, призванный решать задачи в самых разных областях науки. Ян Витаутасович призвал всех участников знакомиться друг с другом, образовывать новые консорциумы, генерировать новые идеи и обмениваться ими, предлагать новые методы или их комбинации, чтобы расширять возможности современных подходов для решения самых разных исследовательских задач.
Сергей Васильевич Цыбуля познакомил аудиторию с некоторыми статистическими данными. Он отметил востребованность конференции МИССФМ-3, в основе которой лежит комплексность и междисциплинарность исследований. Сергей Васильевич анонсировал организацию стендовой сессии, призвал участников к активному диалогу на созданном в Google Groups форуме для обсуждения загруженных на сайт стендовых презентаций. Он также подчеркнул важность участия в конференции большого количества молодых ученых, аспирантов и студентов. Сергей Васильевич проинформировал аудиторию, что несколько кафедр Новосибирского государственного университета предпочли начать учебный год с того, чтобы направить студентов в первые дни сентября посещать онлайн сессии конференции вместо запланированных классов.
В своих приветствиях выступающие поблагодарили участников за проявление активности в такой непростой период времени, пожелали плодотворной работы, интересных докладов, продуктивных дискуссий, приобретения новых знаний, оптимизма, хорошего настроения.
Пленарная сессия была представлена шестью известными специалистами в области физико-химии функциональных материалов, экспертами мирового уровня. Ее открыл доктор Андрей Шаворский, научный сотрудник лаборатории MAX IV – шведской национальной лаборатории исследований с использованием синхротронного излучения, лекцией “Scientific opportunities at MAX IV, the 4th generation synchrotron radiation source” (Исследовательские возможности источника синхротронного излучения 4-го поколения MAX IV). Доктор Шаворский представил информацию об истории создания лаборатории синхротронного излучения, дал краткое описание важных технических характеристик и концепций, лежащих в основе создания установки, привел несколько ярких примеров ее использования, основанных на уникальных свойствах излучения, генерируемого ускорителями MAX IV.
MAX IV – первый в мире дифракционно-ограниченный источник синхротронного излучения. Эта установка синхротрон-ного излучения является синхротроном нового, 4-го поколения, его запуск ознаменовал начало новой эры для рентгеновской науки. Открытие лаборатории синхротронного излучения MАХ IV состоялось в июне 2016 года, а четыре года спустя в нем уже было 10 исследовательских станций, еще 6 установок для пользователей сейчас находятся на разных этапах строительства или ввода в эксплуатацию. После полного завершения MAX IV будет иметь 26 рабочих станций, использующих излучение вставных устройств, размещенных на трех ускорителях: накопительные кольца на 1,5 ГэВ и 3 ГэВ и линейный ускоритель на 3 ГэВ. Благодаря успешной реализации инновационного дизайна магнитной структуры «7MBA» на накопительном кольце 3 ГэВ MAX IV удалось достичь рекордного в мире эмиттанса 300 пм·рад (или 200 пм·рад с установленными вставными устройствами). Это позволило достичь беспрецедентного уровня яркости и степени когерентности, что открыло новые возможности в широком спектре научных областей с многократно улучшенным пространственным, энергетическим и временным разрешением.
МАХ IV является самой современной установкой синхротронного излучения. Лаборатория располагает уникальным оборудованием, которое позволяет получать новые знания о молекулах и их структуре, открывает новые возможности для понимания свойств и структуры биологических систем, новых функциональных материалов, наноматериалов и композитов. Кроме того, интенсивные когерентные пучки, создаваемые ускорителями MAX IV, позволяют изучать фазовые переходы, отклик на внешнее воздействие и динамическую эволюцию сложных материалов, полимеров и жидкостей с использованием методов когерентного рассеяния рентгеновского излучения с временным разрешением, таких как рентгеновская фотон-корреляционная спектроскопия.
Необходимо отметить, что организаторы конференции являются участниками проекта создания в Новосибирской области (р.п. Кольцово) суперсовременного источника синхротронного излучения поколения 4+ Центр коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ») к концу 2023 года.
Продолжил пленарную сессию директор Института металлургии Уральского отделения РАН в Екатеринбурге, профессор Уральского федерального университета, член правления Российского химического общества имени Д.И. Менделеева, академик РАН Андрей Андреевич Ремпель. Его лекция “Структурная диагностика с использованием рентгеновского и синхротронного излучения” была посвящена исследованиям порошков наночастиц оксидов, карбидов и сульфидов металлов, а также стеклокерамики, с включениями наночастиц люминесцентных сульфидов. В докладе были рассмотрены дифракционные методы и методы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей для определения структуры и морфологии наноматериалов с использованием как обычных рентгеновских источников, так и синхротронного излучения.
В начале своего выступления Андрей Андреевич отметил некоторую провокационность названия своей лекции, так как в нем рентгеновское и синхротронное излучение воспринимается как разные методы. Он отметил, что в его понимании рентгеновское излучение используется в основном для идентификации атомных структур материалов, размеров наночастиц, микроструктурных характеристик, в то время как синхротронное излучение открывает значительно более широкий спектр возможностей при общности достигаемых целей. Андрей Андреевич в своей лекции также подчеркнул, что задачи, решаемые с привлечением методов рассеяния рентгеновского излучения, нужно сначала опробовать в лабораторных условиях, используя обычные рентгеновские трубки, а затем выходить на синхротроны, которые обеспечивают значительно более высокое пространственное и временное разрешение.
Профессор Ремпель представил на обзорном слайде перечень методов исследования структуры материалов, отметив, что все они имеют разное пространственное разрешение. Это методы оптической спектроскопии, зондовой микроскопии, электронной спектроскопии. Не в обиду специалистам спектрального анализа, Андрей Андреевич заметил, что электронная спектроскопия дает возможность увидеть только часть спектра, в то время как рентгеновское и синхротронное излучение позволяют увидеть материал целиком, а при необходимости сфокусироваться на определенной области материала. Нельзя забывать про динамическое рассеяние света – развитие этого метода сейчас дошло до очень высокого уровня, он позволяет наблюдать частицы размером от одного нанометра и больше, участвующие в броуновском движении в коллоидном растворе. Профессор Ремпель сконцентрировал внимание аудитории на методе малоуглового рассеяния с использованием рентгеновских лучей или нейтронных пучков, направленном на исследование именно наноструктуры материалов и имеющем высокое пространственное разрешение (от одного ангстрема до 100 нанометров). С помощью МУР исследуется широкий круг объектов, таких как наночастицы мицелл, коллоидные растворы, полимеры, вирусы, изучается распад твердых растворов, образование наночастиц в сплавах, сталях. Важно отметить, что этот метод широко используется биологами в вирусологии в целях получения безопасных вакцин. Андрей Андреевич отметил, что, хотя развитие и использование структурных методов исследования направлено на определение размеров наночастиц и распределения их по размерам, это не является самоцелью, оно преследует и более глубокие цели, такие как исследование нанаразмерных эффектов, изучение фотокаталитических и каталитических материалов, механизмов протекания каталитических реакций. Содержание лекции профессор Ремпель разделил на три части:
- широкоугловое рассеяние рентгеновских лучей (структурный и фазовый анализ, определение размеров наночастиц, величин деформации кристаллической решетки);
- малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (атомный контраст или контраст электронной плотности, размер и форма наночастиц);
- результаты измерений на наночастицах сульфидов, карбидов и оксидов.
Подробно представив предложенные методы и продемонстрировав примеры их использования, профессор Ремпель отметил в выводах, что для точного измерения размера и формы наночастиц, их распределения по размерам необходимо использовать совокупность различных методов, включающих малоугловое рассеяние рентгеновских лучей и тепловых нейтронов. При этом результаты необходимо подтверждать электронной микроскопией, а также дифракцией рентгеновских лучей и тепловых нейтронов.
Лекцию “Рентгеноструктурный анализ монокристаллов: что химикам дает синхротрон?” представил д.х.н., профессор Виктор Николаевич Хрусталев – заведующий кафедрой неорганический химии Российского университета дружбы народов (РУДН). С 2017 года он является Директором Объединенного института химических исследований РУДН. Виктор Николаевич начал лекцию с утверждения, что использование синхротронного излучения позволяет принципиальным образом снизить требования, предъявляемые к качеству кристаллов, например, могут успешно расшифровываться достаточно мелкие (размером до 10 мкм) кристаллы с частичной разупорядоченностью. При этом существенно сокращается среднее время эксперимента, что позволяет реализовать режим высокопроизводительного скри-нинга. Синхротронное излучение практически используется во всех областях науки, в том числе и в гуманитарных науках для изучения интересных научных артефактов. Поэтому, по мнению Виктора Николаевича, и тема конференции, и срок ее проведения, назрели как никогда ранее.
Профессор Хрусталев констатировал, что, к сожалению, Россия в области использования синхротронного излучения значительно отстает от мировых ведущих стран. На сегодняшний день у нас работают только два синхротронных центра – в НИЦ "Курчатовский институт" (Москва) и в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск). Самые известные источники синхротронного излучения находятся в Европе, причем синхротронные центры, расположенные в основном в пригородах, имеют не только научную значимость, но и архитектурную ценность. Ведущие мировые синхротронные источники более современны и совершенны по сравнению с КИСИ и СЦСТИ, но при этом использование ускорителя в Москве и синхротронных станций на этом ускорителе все равно несопоставимо с возможностями лабораторных приборов. Поэтому создание синхротронных центров уже получило определенное развитие и привлекло внимание руководства страны. В.В. Путин в 2018 году посетил НИЦ "Курчатовский институт", потом собрал совещание с членами Академии наук, со всеми заинтересованными лицами, и на этом совещании дал указание разработать программу по развитию синхротронно-нейтронных исследований, включая создание трех новых источников синхротронного излучения: в Протвино, Новосибирске (СКИФ) и Владивостоке. На данном этапе наибольшее развитие получил проект СКИФ.
Станции, специализирующиеся в области проведения рентгеноструктурного анализа монокристаллов низкомолекулярных соединений (химической кристаллографии), являются одними из наиболее востребованных и результативных в мировых центрах СИ. В России подобная станция в составе Курчатовского источника синхротронного излучения (КИСИ, НИЦ «Курчатовский институт», Москва) появилась в 2014 году. На этой станции проводятся систематические рентгеноструктурные исследования самых разных классов кристаллических материалов, включая полиядерные каркасные металлорганосилоксаноляты, гибридные органические перовскиты, оптически чистые аналоги природных соединений, координационные соединения металлов, проявляющие каталитические, магнитные, электро- и фотолюминесцентные свойства, и т.п. В своей лекции профессор Хрусталев представил общую последовательность шагов по съемке, расшифровке и уточнению структур функциональных материалов, приводя примеры геометрически необычных и «красивых» молекулярных структур. На нескольких примерах Виктор Николаевич продемонстрировал очевидные преимущества использования источника синхротронного излучения по сравнению с современными лабораторными дифрактометрами.
Лекция д.ф.-м.н., профессора Владимира Васильевича Чернышева “Порошковый рентгеноструктурный анализ новых материалов” была посвящена рентгеновской порошковой дифракции – методу, который уже много десятилетий считается незаменимым в области исследования новых твердофазных материалов, получаемых в различных университетских и промышленных лабораториях. Владимир Васильевич является заведующим лабораторией физико-химического анализа кафедры общей и неорганической химии Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Он декларировал, что, используя легкодоступный арсенал экспериментального рентгеновского оборудования, порошковая дифракция позволяет довольно быстро проводить многие актуальные исследования, такие как классический фазовый анализ, анализ тонких и очень тонких пленок, многослойных покрытий, анализ наноразмерных порошков и материалов, анализ распределения размеров наночастиц с использованием малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, определение фазовых переходов при изменении параметров кристаллической структуры образца, определение и уточнение параметров элементарной ячейки, определение неизвестных кристаллических структур.
В своей лекции профессор Чернышев основное внимание уделил проблемам, возникающим при работе с новыми порошковыми материалами в процессе определения кристаллических структур непосредственно из порошковых дифракционных данных. Методы порошкового рентгеноструктурного анализа (пРСА) активно развиваются с начала 90-х годов прошлого века и к настоящему времени зарекомендовали себя надежным «поставщиком» новых кристаллических структур, что подтверждается десятками тысяч структур в Кембриджской кристаллографической базе и таким же количеством статей в международных научных журналах. Однако создание и развитие новых методов пРСА не избавляет от необходимости учета «старых» проблем, с которыми постоянно сталкиваются разработчики новых функциональных материалов. К числу таких проблем относятся, в частности, неоднофазность образца, слабая кристалличность новой фазы, нестабильность образца на открытом воздухе либо под воздействием других внешних факторов (например, температуры или рентгеновского излучения), чрезвычайно малые количества образца, несоответствие элементного состава образца, почти всегда содержащего и аморфную фазу, фактическому составу изучаемой кристаллической фазы.
Наряду с кратким обзором современных возможностей методов пРСА профессор Чернышев наметил пути преодоления вышеперечисленных проблем в процессе работы с новыми материалами и установления кристаллической структуры новой «нужной» фазы. Хотя современные лабораторные порошковые дифрактометры способны предоставить надежный экспериментальный материал для решения подобных задач, Владимир Васильевич продемонстрировал критически важное значение синхротронной дифракции высокого разрешения в структурной характеризации новых материалов. В заключение он привел практические примеры работы с различными материалами, такими как металл-органические каркасы (MOF) и нанопористые углеродные материалы на их основе, органические каркасы, образованные за счет водородных (HOF) или ковалентных (COF) связей, комплексы тетрапиррольных макроциклов с редкоземель-ными элементами, металлсодержащие цеолиты, бета-замещенные металлопорфирины, тройные интерметаллиды с редкоземельными элементами, оптически активные производные терефталевой кислоты, хиральные фосфиты, фармацевтические субстанции.
Заключительный день работы конференции не ослабил внимание участников к пленарной сессии. С лекцией “Исследование магнитных свойств функциональных материалов” выступил директор Института физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения РАН из Красноярска, д.ф.-м.н. Дмитрий Александрович Балаев, известный в мире специалист в области физики магнитных явлений. Дмитрий Александрович отметил тот факт, что исследование магнитных свойств является неотъемлемой частью характеризации получаемых функциональных материалов, содержащих магнитные ионы, магнитоупорядоченные фазы, магнитные наночастицы. На примере ряда объектов он проиллюстрировал возможности применения «магнитной характеризации» для получения информации о магнитном состоянии материала, магнитной структуре материала, фазовом составе материала, наличии магнитных примесей. Особое внимание в докладе было уделено магнитным наночастицам (оксиду никеля, модификациям оксида железа), их магнитной структуре, влиянию магнитных межчастичных взаимодействий, а также поверхностным и размерным эффектам, проявляющимся в магнитных свойствах. Дмитрий Александрович представил обзор подходов к описанию магнитных свойств наночастиц ферро-, ферри- и антиферромагнитных материалов. При этом он заметил, что, возможно, его лекция в большей степени будет интересна участникам, не специализирующимся в области физики магнитных явлений.
В рубрике «Методы измерения намагниченности» профессор Балаев дал краткую информацию о магнитных полях в природе, затем перешел к вопросу – как и чем их можно создать, представив слайд о времени изготовления и затратах, охарактеризовал основные приборы для измерения магнитных свойств в различных диапазонах величин магнитных полей. Самым популярным и наиболее часто используемым в этих целях прибором Дмитрий Александрович считает вибрационный магнетометр, обладающий высокой точностью. Но тем не менее, самым точным он назвал СКВИД магнетометр – в нем сигнал от образца фиксируется датчиком, в котором есть джозефсоновский контакт (S-I-S). Были даны характеристики и другим магнетометрам, включая импульсные, обладающим невысокой точностью и специфичностью.
Далее Дмитрий Александрович обрисовал основные типы и характеристики магнитных материалов, а также более сложных систем на их основе. Он отметил характерные особенности, присущие ферро-ферримагнитным наночастицам при уменьшении размеров и увеличении доли поверхностных атомов. На примере оксида железа были рассмотрены вопросы перехода в однодоменное состояние, супермагнетизм, суперпарамагнитная блокировка, а также – к чему приводит уменьшение размера частиц (поверхностная анизотропия, размерные эффекты), магнитные межчастичные взаимодействия. Обсужден «отрицательный» эффект большой поверхности и указан метод, предложенный совместно с коллегами из ИК СО РАН, позволяющий преодолеть эту проблему.
В заключение Дмитрий Александрович предложил рассмотреть еще один пример, иллюстрирующий, как можно идентифицировать очень малое количество неизвестного соединения с помощью магнитных измерений. Были исследованы магнитные свойства донных отложений соленого меромиктического озера Шира в Хакасии. В них впервые проведены измерения магнитных свойств методом статической магнитометрии и γ-резонансной мёссбауэровской спектроскопии. Во всех слоях донных отложений присутствуют наноразмерные однодоменные частицы магнетита, источником которых являются магнитотактические бактерии. Содержание магнетита в донных отложениях убывало с глубиной, при этом обнаружен локальный минимум в слое, соответствующем минимальному уровню озера, наблюдавшемуся в 1910–1930 гг. Было показано, что биогенный магнетит может служить, наряду с прочими биологическими и геохимическими характеристиками, индикатором климатически обусловленных изменений уровня воды в озере Шира.
Выводы, представленные Дмитрием Александровичем Балаевым, показали, что магнитометрия является мощным методом характеризации и исследований магнитной структуры и фундаментальных параметров функциональных материалов, а системы магнитных наночастиц являются ярким примером влияния поверхности и размерных эффектов на магнитную структуру и макроскопические свойства частиц.
С большим интересом аудитория встретила лекцию к.ф.-м.н. Александра Леонидовича Васильева из НИЦ "Курчатовский институт" и ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" (Москва), завершавшую пленарную сессию: “Электронная микроскопия в исследовании функциональных материалов”.
Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM) и сканирующая просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRSTEM) вместе с энергодисперсионным рентгеновским микроанализом (EDX) и спектроскопией потерь энергии электронов (EELS) во многих случаях являются единственными инструментами для определения особенностей кристаллической структуры. Эти методы уникальны для характеризации кристаллической структуры при неоднозначном определении фазы, если размеры частиц находятся в нанометровом диапазоне, а также в условиях наличия протяженных и особенно точечных дефектов кристаллической структуры. Использование корректоров сферической аберрации (Cs) улучшает пространственное разрешение HRTEM и HRSTEM до менее 0,1 нм. Это позволяет наблюдать практически все кристаллические структуры с атомным разрешением в различных низко-индексовых зонах. Использование дифракции электронов (ЭД) и даже ЭД сходящегося пучка для определения кристаллической структуры может быть затруднительным при наличии дефектов кристалла, что снижает симметрию дифракционной картины и вносит неопределенность в определение пространственной группы неизвестной фазы. Исследование неизвестных фаз и даже точечных дефектов может быть выполнено с помощью широкоуглового кольцевого детектора темного поля (HAADF) в HRSTEM. Это единственный метод точного определения точечных дефектов, включая положение вакансий или атомных замещений и их плотность.
В своей лекции Александр Леонидович продемонстрировал несколько примеров определения фаз и исследования точечных дефектов в различных материалах. При этом он отметил, что задача определения новых фаз в поликристаллических мелкодисперсных или нано-материалах методами рентгеноcтруктурного анализа и рентгенофазового анализа часто невозможна из-за малых размеров частиц неизвестной фазы, присутствия структурных дефектов, большого набора присутствующих в образцах дифракционных максимумов, ассоциированных с различными фазами, в том числе низко симметричными, а также различной ориентации частиц. В таких случаях единственной возможностью решения задачи определения кристаллической структуры может быть использование просвечивающей/растровой электронной микроскопии (П/РЭМ) высокого разрешения (ВР) и электронной дифракции (ЭД). При размерах частиц менее 10 нм практически невозможно использование селективной диафрагмы для получения высококачественной электронограммы от выделенной области. В этом случае приходится использовать методы дифракции в сходящемся пучке, микро- и нано-дифракцию. В этих условиях происходит умень-шение точности определения параметров элементарной ячейки. Более того, присутствие структурных дефектов в частицах понижает симметрию дифракционной картины и вносит неопределенности в определение пространственной группы неизвестной фазы. Использование П/РЭМ ВР позволяет выявить структурные дефекты и значительно повысить точность определения геометрических параметров кристалла. Причем, если использование ПЭМ ВР требует моделирования изображения, то темнопольное ПРЭМ ВР с регистрацией электронов, рассеянных на большие углы, часто легко интерпретируется и не нуждается в моделировании. В сочетании с энергодисперсионным рентгеновским микроанализом (ЭРМ) высокого разрешения и/или спектроскопией потерь энергии электронов (СПЭЭ), интерпретация становится еще проще – удается установить структуру с определением атомных позиций, а также состав основной фазы и дефектов с атомным разрешением.
Продемонстрировав аргументированные примеры, Александр Леонидович сделал заключение, что использование высокоразрешающих методов ПЭМ/ПРЭМ существенно помогает в определении ряда структурных особенностей кристаллов. Но при этом он счел необходимым заметить, что применение других структурных и спектроскопических методов часто все-таки бывает необходимо для однозначной интерпретации результатов электронно-микроскопических исследований.
Руководитель отдела «Природные ресурсы и дифрактометрия» ООО «Техноинфо» Олег Евгеньевич Корнейчик анонсировал возможности лабораторного оборудования компании и его применение в едином комплексе с синхротроном в свете последних достижений в области методов мало- и широкоуглового рентгеновского рассеяния, а также монокристальной дифракции Rigaku Oxford diffraction. Прозвучали предложения рассмотреть возможности интегрирования универсальных лабораторных систем компании ТехноИнфо в проект СКИФ, что вызвало незамедлительный ответный интерес со стороны главного эксперта Проектного офиса ЦКП «СКИФ», заведующего лабораторией перспективных синхротронных методов исследования ИК СО РАН, председателя Программного комитета конференции МИССФМ-3, д.ф.-м.н. Яна Витаутасовича Зубавичуса.
В свою очередь, Ян Витаутасович Зубавичус от имени редколлегии журнала Crystals, являющегося медиа-партнером конференции МИССФМ-3, выступил с презентацией этого журнала, а также издательства Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI), Швейцария, в котором Crystals издается. Ян Витаутасович является членом редколлегии журнала Crystals по секции Organic Crystalline Materials, и в данный момент – приглашенным редактором специального выпуска «Текущие вызовы кристаллографии, фокусированные на структурах промежуточной сложности». В первую очередь Ян Витаутасович рассказал об издательстве MDPI, которое является одним из ведущих издательств в мире, специализирующихся в области электронной публикации научно-технической литературы. Базируется MDPI в Базеле, Швейцария, имея филиалы во многих странах. Издательство очень активно развивается, придерживаясь концепции открытого доступа (open access). Это предполагает бесплатный, быстрый, полнотекстовый доступ в режиме реального времени к научным и учебным материалам, реализуемый для любого пользователя в глобальной информационной сети без каких-либо ограничений как по инструментам доступа, так и по дальнейшему использованию опубликованных материалов (обязательна точная ссылка на цитируемый источник, но дополнительного разрешения издательства не требуется). Режим открытого доступа применяется ко всем формам опубликованных результатов исследований, в том числе к статьям рецензируемых и нерецензируемых научных журналов, материалам конференций, текстам диссертаций и квалификационным работам, главам книг и монографиям. Далее Ян Витаутасович перешел к рассказу о медиа-партнере конференции, журналу Crystals, одному из ведущих источников по исследованиям кристаллических материалов. Концепция Open Access позволяет журналу сократить время опубликования статей. С момента подачи рукописи до принятия решения оно составляет 13 дней при жестком режиме рецензирования. Ян Витаутасович привел некоторые статистические данные по публикациям в журнале, отразил тематику публикаций, которые близки к научным направлениям конференции МИССФМ-3. Поэтому участники были приглашены представить статьи в журнал Crystals, а также в специальный выпуск, редактируемый Яном Витаутасовичем. Как медиа-спонсор, журнал Crystals предоставил участникам конференции МИССФМ-3 25%-ю скидку на публикацию статей.
Мастер-класс “Использование онлайн приложения автоматического распознавания наночастиц в изображениях сканирующей зондовой микроскопии с применением подходов искусственного интеллекта и машинного обучения”. Огромный интерес вызвал мастер-класс, который провела старший научный сотрудник Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, доцент кафедры химии твердого тела Факультета естественных наук Новосибирского государственного университета, к.х.н. Анна Владимировна Нартова. В нем шла речь о разработанной программе автоматического распознавания наночастиц в изображениях атомно-силового микроскопа с использованием подходов искусственного интеллекта и машинного обучения. Программа оформлена в виде свободного веб-интерфейса: можно зайти на сайт, загрузить свою картинку и получить статистику по наночастицам (количество, средний размер, степень заполнения поверхности и пр.). Анна Владимировна провела краткий мастер-класс по практическому использованию данной программы.
