Еженедельник
Объединенного института ядерных исследований
(Электронная версия с 1997 года)
Архив Содержание номера О газете На главную Фотогалерея KOI8

№ 49-50 (3938-3939) от 26 декабря 2008:

Версия № 49-50 в формате pdf (~3.2 Mb)

Актуальная тема года

Нейтроны в нанодиагностике и исследованиях наноматериалов

С 3 по 5 декабря в Москве в Экспоцентре прошел первый Международный форум по нанотехнологиям, который собрал около 3000 участников, из них 1500 - из 33 зарубежных стран. Обширная научная программа форума была разделена на 10 секций, перечисление которых дает общее представление об актуальных направлениях в данной области научно-технической деятельности: наноматериалы, нанодиагностика, наноэлектроника, нанофотоника, наноэлектромеханические системы, нанобиотехнологии, биологические молекулярные машины, математическое моделирование в нанотехнологиях, нанотехнологии в медицине, в энергетике, наномеханике и наноплазме.

На секции "Нанодиагностика" с приглашенным докладом "Нейтроны в нанодиагностике и исследованиях наноматериалов" выступил научный руководитель ЛНФ имени И.М.Франка профессор В.Л.АКСЕНОВ. Публикуем адаптированную для газеты версию этого доклада.

ЗАЧЕМ НУЖНЫ НЕЙТРОНЫ?

Для получения наноматериалов можно выделить два условия. Первое - это пространственное ограничение (конфайнмент), связанное с тем, что размеры составных элементов наноматериалов ограничены длиной характерных физических величин, например, длиной свободного пробега электронов. Именно при этом условии возникает качественно новое свойство материала. Как правило, пространственное ограничение имеет интервал от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Из этого условия следует наиболее общее свойство наноматериалов - большая роль поверхности, ограничивающей структурные элементы. С учетом этого свойства наноматериалы относятся к системам с развитой поверхностью.

Второе условие - самоорганизация, или самосборка, в результате которых и образуется наноматериал из атомов и молекул в так называемом процессе снизу вверх. Именно этот процесс отличает технологии Природы от технологий, используемых человеком до недавнего времени. Общим свойством наноматериалов, вытекающим из этого условия, является их нестабильность и долговременная релаксация. Соответственно, одна из главных проблем нанотехнологии - стабилизация наноматериалов с заданными параметрами.

Использование нейтронов позволяет контролировать реализацию отмеченных условий, то есть производить нанодиагностику, а также исследовать происходящие в наноматериалах явления.

В ряде случаев возможности нейтронов являются уникальными, что обусловлено особенностями взаимодействия нейтронов с веществом.

    1. Нейтроны взаимодействуют с ядрами, а не с электронными оболочками. Длина рассеяния может сильно отличаться для изотопов одного элемента. Отсюда следует мощный метод изотопного контраста, а также возможность видеть легкие атомы на фоне тяжелых. Особенно ярко возможности нейтронографии проявляются в системах, содержащих водород, таких как полимеры, биологические системы, органические и водные растворы.
    2. Нейтрон имеет собственный магнитный момент. Поэтому нейтронография - прямой метод диагностики магнитных структур, как в объеме, так и на поверхности. Особенно эффективны пучки поляризованных нейтронов.
    3. Нейтрон взаимодействует с веществом слабо, поэтому он не разрушает даже деликатные биологические системы и может глубоко проникнуть в образец, что важно при изучении объемных свойств.
    4. Благодаря высокой проникающей особенности нейтрона нейтронография имеет широкие возможности использования непосредственно в эксперименте дополнительных устройств, таких как камеры высокого давления, печи, сложные криостаты, электромагниты.

В основе нейтронной нанодиагностики лежат нейтронная оптика и спектроскопия. В настоящее время активно используются все разделы нейтронной оптики - дифракция, малоугловое рассеяние и рефлектометрия (рассеяние при скользящем угле падения). При этом надо заметить, что развитие рефлектометрии непосредственно связано с наносистемами и нанотехнологиями. Она начала активно развиваться после того, как в 1980-х годах были разработаны технологии получения слоистых наноструктур. ЛНФ имени И.М.Франка была среди пионеров создания этого научного направления. Работы в этой области "Рефлектометрия поляризованных нейтронов на импульсном реакторе ИБР-2", выполненные в 1986-2007 гг., были отмечены в 2008 году первой премией ОИЯИ.

В последнее десятилетие, помимо техники зеркального отражения, которая дает информацию о структуре по глубине образца, успешное развитие получила техника незеркального (диффузного) рассеяния, информирующая об изменениях структуры в плоскости образца по одной из координат. Наконец, в последние годы начала развиваться техника малоуглового рассеяния вблизи угла скольжения, которая позволяет следить за изменениями структуры в плоскости образца по другой координате. Таким образом, появляется возможность полного исследования структуры низкоразмерных систем на наноуровне. Типичные примеры наносистем, исследованных с помощью нейтронной рефлектометрии, включают в себя магнитные многослойные пленки, полосчатые структуры, квантовые точки, нанопроволоки в пористом кремнии, полимеры с включениями магнитных наночастиц, мультиламеллярные везикулы, магнитные жидкости.

НЕЙТРОНЫ И НАНОМАТЕРИАЛЫ

Далее рассмотрим некоторые примеры применения нейтронов в нанодиагностике и в исследованиях наноматериалов, которые разрабатываются в ЛНФ и которые наиболее близки автору.

Углеродные наноматериалы. Интерес к коллоидным растворам (дисперсиям) наноматериалов на основе углерода проявляется в различных областях современных нанотехнологий, включая биомедицину. Углеродные наночастицы, в частности, фуллерены и их кластеры, создают широкие возможности функционализации их поверхности. Открытие фуллеренов в 1985 году было одним из ярчайших событий в науке в конце ХХ столетия. С самого начала наука о фуллеренах носила междисциплинарный характер - фуллерены были предсказаны в квантово-химических расчетах, обнаружены при изучении космической пыли, при их синтезе использованы физические методы (испарение графита в перекрестных лучах лазеров). После получения фуллереновых систем в 1990 году в макроскопических количествах были обнаружены их многие необычные физические и химические свойства, в том числе, и с медико-биологической точки зрения. В ЛНФ исследования фуллеренов и их соединений начались вскоре после их открытия, но системный характер они приобрели после установление контактов с Институтом терапии Академии медицинских наук Украины, где был предложен оригинальный способ растворения фуллеренов в воде. Водные растворы фуллеренов, перспективные в медико-биологических исследованиях, изучались нами в последние годы с помощью рассеяния нейтронов и другими методами.

Помимо конкретных вопросов, связанных с растворимостью фуллеренов, они являются удобным объектом для исследования общей проблемы кластерного состояния вещества, которая является одной из ключевых в современной физике и химии. Теоретические основы этой проблемы мы разрабатываем совместно с нашими коллегами из ЛТФ.

По времени синтез и изучение фуллеренов и их соединений совпали с осознанием особого значения наноматериалов и нанотехнологий. Поэтому фуллерен часто используют в качестве символа нанонаук и нанотехнологий.

Создание устойчивых коллоидных растворов углеродных материалов, в особенности в водных системах, является амбициозной задачей современной науки. Применение нейтронного рассеяния в данном случае основано на использовании метода вариации контраста для определения распределения атомной плотности внутри кластеров.

В жидких дисперсиях фуллеренов и других наноуглеродных частиц методом малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) определяются следующие параметры: распределение по размерам кластеров; распределение рассеивающей плотности внутри кластера; степень проникновения растворителя в кластер; параметры взаимодействия кластеров в растворах; структурная организация на разных уровнях (первичная, вторичная и т.д. кластеризация) и различных условиях; кинетика роста кластеров в различных условиях. Разрешение метода при сегодняшних возможностях развития нейтронных источников составляет порядка 1 нм. Точность определения параметров - менее 0,1 нм.

Основное и, фактически, уникальное преимущество метода - возможность определения внутренней структуры кластеров посредством вариации рассеивающей плотности на основе замещения водород-дейтерий. Рассеяние рентгеновских лучей ограничено в этой возможности из-за слабого взаимодействия с водородом и, вследствие этого, слабого контраста между углеродом и растворителем. Электронная микроскопия дает возможность судить об общих размерах и поведении кластеров в растворах, не проникая в их внутреннюю структуру. Существенным и важным преимуществом использования нейтронов для диагностики дисперсий углеродных наноматериалов является возможность исследования объемных образцов без какой-либо существенной их модификации (как в случае электронной микроскопии и масс-спектроскопии).

(Продолжение следует.)


Редакция Веб-мастер