Ученые НИЯУ МИФИ и НИЦ «Курчатовский институт» разработали устройство, способное буквально «разобрать» вещество на атомы. Прибор, получивший название «АТОТОМ», предназначен для атомно-зондовой томографии — исследования структуры материалов на атомном уровне с определением химической природы регистрируемых атомов.
В устройство помещают небольшой образец материала — «волосок» диаметром 0,3-0,4 мм и длиной 15-20 мм — после чего с помощью лазерных импульсов образец начинают испарять наноскопическими порциями — каждый раз количество вещества умещается буквально на один-два атома. Одновременно химический состав испаренных атомов определяется методами масс-спектроскопии. Во время анализа образец находится в вакууме и охлажден примерно до 20 К (около минус 250 оС).
Полученные данные обрабатывают на компьютере, и в результате получают трехмерную карту расположения атомов в исследуемом образце. Поскольку для составления подобной карты требуется определить местоположение сотен миллионов атомов, а также выявить свойства множества наноразмерных объектов, обработка данных происходит на мощных компьютерах с графическим процессором.
«Люди давно поняли, что свойство материала определяются не столько его составом, сколько структурой. А в последние десятилетия установлено, что не просто структура, но именно наноструктура определяет свойства современных материалов», — рассказал руководитель проекта, профессор кафедры физики экстремальных состояний вещества МИФИ Сергей Рогожкин.
Подобные исследования особенно важны для материалов химически сложного состава, в которых может быть 10−20 компонентов, а на конечные свойства композита или сплава большое влияние оказывают количественно ничтожные примеси.
По словам эксперта, в настоящее время подобные устройства в мире производит только одна американская компания, однако в нынешней геополитической ситуации прекращены не только поставки приборов в Россию, но и техническое обслуживание ранее закупленных устройств.
Первый вариант установки был готов еще в конце 2021 года, однако после введения международных санкций разработчикам пришлось потратить еще несколько лет чтобы полностью заменить импортные комплектующие. Теперь прибор полностью соответствует принципам импортозамещения.
«Мы решили задачу по доработке или созданию компонентов устройства на собственной приборной базе. Одна из ключевых вещей — быстродействующий детектор, мы его создали с нуля на российских компонентах, и сейчас это полностью российская система. Сейчас мы можем использовать многие компоненты разных производителей, и это не ограничивает нас в скорости создания прибора», — подчеркнул Сергей Рогожкин.
Разработчики также сами создали и запатентовали программное обеспечения как для управления прибором, так и для математической обработки полученных данных.
В установках для атомно-зондовой томографии нуждаются ведущие материаловедческие центры Госкорпорации «Росатом», а также крупных металлургических и других промышленных компаний.
Ученый отмечает, что «АТОТОМ» не уступает зарубежным аналогам по качеству, но имеет два преимущества: во-первых, его серийные образцы обещают быть по меньшей мере в два раза дешевле, а во-вторых, в МИФИ готовы разрабатывать устройства с особенностями, соответствующими особым потребностям заказчиков (например, с повышенной чувствительностью к некоторым параметрам), в то время как зарубежный производитель предлагает только типовые изделия. Таким образом, в перспективе российским прибором могут заинтересоваться и на зарубежном рынке.
Источник: Минобрнауки России