ЛНФ ОИЯИ: приборы для изучения наномира


https://www.youtube.com/jinrtv

В то время, когда в Объединенном институте ядерных исследований  активно обсуждается, в том числе и Программным комитетом по  физике конденсированных сред,  будущий  источник нейтронов  — установка, которая  со временем должна заменить ИБР-2  и продолжить  выполнение таких  научных задач,  как создание новых лекарств,  функциональных материалов и наноматериалов, и решать многие другие проблемы —   в Лаборатории нейтронной физики успешно  работают действующие установки  – импульсный реактор на быстрых нейтронах, ИРЕН – источник резонансных нейтронов, а также  современные приборы в секторе рамановской спектроскопии. Они взаимно дополняют друг друга  при проведении исследований.

Валерий Швецов, директор Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «ИБР-2, конечно, это главная наша задача. Я все-таки призываю, несмотря на такой кураж, связанный с новым источником, не забывать, что наша главная задача —  доработать с ИБР-2 до 30-х годов.  С пользовательской программой в этом году нет никаких  сюрпризов – те же 220-230 заявок на эксперименты было подано, 200 из них реализовано в 2017 году. Программа продолжает развиваться, думаю, что в этом году  мы начнем другие установки нашей Лаборатории предлагать в  пользовательской программе, по крайней мере —  это платформа с рамановским микроскопом в секторе Григория Арзуманяна».

В секторе рамановской спектроскопии сейчас как раз формируется пользовательская программа.  Ученые, которым необходимо для исследований биологических материалов и других веществ заглянуть вглубь наномира, могут использовать высокотехнологичные приборы —  это спектрометр CARS и новый атомно-силовой микроскоп «ИНТЕГРА-ПРИМА», который служит для измерения рельефа поверхности образцов — на уровне нанометра и даже доли нанометра (на атомарном уровне), и который отлично дополняет спектрометр CARS.

Григорий Арзуманян, начальник сектора рамановской спектроскопии ЛНФ ОИЯИ: «У атомно-силового микроскопа, как и у рамановского, очень широкий круг  прикладных исследований и приложений.  Атомно-силовой микроскоп очень популярен  как измерительный прибор для микроэлектроники. Квантовые точки были исследованы   на атомно-силовом микроскопе. Биологию и медицину тоже можно  исследовать  на этом приборе,  геологические образцы. Можно смотреть химические реакции с помощью атомно-силового микроскопа. У нейтронщиков есть  уникальный прибор — ИБР-2, который тоже позволяет  делать наноструктурные измерения с очень большим разрешением. Я абсолютно уверен, что эти два прибора дополняют друг друга по функциональности. Здесь у нас тоже атомарное разрешение, как и у нейтронщиков, но тут можно очень оперативно  смотреть образцы на предмет их рельефа, топографии и т.д.  У них очень много задач. Они, например, с авиастроителями сотрудничают, исследуют  поверхности. Атомно-силовая спектроскопия —  она поверхностная  — рельеф поверхности смотрим, топографию. Где поверхностные измерения, их можно дополнять  на наноуровне с помощью атомно-силового микроскопа».

Но базовым прибором в секторе рамановской спектроскопии является  микроспектрометр CARS.

Григорий Арзуманян, начальник сектора рамановской спектроскопии ЛНФ ОИЯИ: «CARS – это когерентное антистоксово рассеяние света.  Белоруссия – страна-участница ОИЯИ, и там есть фирма,  которая совместно с японцами разработала уникальный прибор, единственный в своем роде на территории России – лазерный сканирующий  конфокальный  люминесцентный  микроскоп. CARS-микроспектроскопия  позволяет с очень высокой чувствительностью  и с очень высокой контрастностью  делать картирование образцов, в частности, биологических. В CARS  вы можете усиливать  рамановское рассеяние в 10 в 3 степени,  10 в  4 степени раз, и за счет этого  получать  очень контрастную  визуализацию объектов, чем мы и занимаемся – это одно из направлений нашей деятельности».

Кахрамон Маматкулов,  начальник группы: «Образец мы берем у партнеров из Белоруссии, из Института  физиологии. Они нам предоставляют клетки здоровые и опухолевые. Мы их вставляем в нашу подложку стеклянную на моторизованный столик микроскопа и дальше измеряем».

Григорий Арзуманян, начальник сектора рамановской спектроскопии ЛНФ ОИЯИ: «Кроме уникального лазера пикосекундного для CARS-измерения, инсталлировано еще 3 рамановских лазера.  Спонтанный раман можно смотреть под лазерным излучением разной длины волны в зависимости от исследуемого образца. Когда выбираете задачу, то выбираете и источник лазерного излучения. У нас есть зеленый лазер диодный на длине волны 532, красный – на длине волны 632 нанометра, и мы еще сделали из пикосекундного лазера — взяли луч для биологических исследований на длине волны 785 нанометров, потому что люминесцентный фон, который сопровождает раман, иногда подавляет его.  Все эти лазерные лучи скомбинированы в оптико-механический узел, где большое количество всякой оптики, механики, все автоматизировано. После формирования определенного луча под конкретную задачу этот луч проходит   через гальваносканер и попадает  на микроскоп. Предметный столик  автоматизирован, там ставится образец.  Образцы самые разные – могут быть твердые, жидкие, порошки, гель и т.д. Хорошая система регистрации. Можно регистрировать сигнал  и в прямом, и в обратном направлении».

Оснащение Лаборатории нейтронной физики   приборами мирового класса для изучения наномира делает ее еще более привлекательной для стран-участниц ОИЯИ, и, в первую очередь, для молодежи, интересующейся физикой конденсированных сред. В секторе рамановской спектроскопии успешно работают молодые представители разных стран.

Дмитрий Линник, стажер-исследователь: «Моя задача больше как химика – синтезировать наноструктуры (ядро — оболочка) люминесцентного материала. Люминесценция – это поглощение более высокоэнергетического излучения   менее энергетическим.  Допустим, поглощает ультрафиолетовое  излучение, выдает  зеленый или красный. Моя задача – сделать люминофор, который смог бы поглощать инфракрасный – менее энергетическое излучение (2 кванта поглотить и выдать 1 квант уже более высокоэнергетического излучения). Помимо этого материал должен еще иметь  малые размеры. Ядро должно быть несколько десятков нанометров. Так как материал – большая поверхность – это не оксиды, это фториды, они могут растворяться в организме. И для того, чтобы эти материалы были устойчивы в организме для биологических исследований, для физиков —  их надо покрыть оболочкой инертной. В основном это будет оксид кремния. Задача — получить ядро люминесцентное и покрыть оболочкой. Основная сложность материала  в том,  что с уменьшением размера (мы все время стремимся в наномир, в нанотехнологии)  очень много новых эффектов — квантовые эффекты проявляются, те же квантовые точки. Селенид кадмия — люминофор из него плохой, но при достижении размеров буквально в 10-5 нанометров он приобретает новые свойства. Изменяя размер, мы можем  менять длину волны излучения. Также и здесь – малый размер, новые возможности – это биодоступный материал, размер частицы меньше, чем поры в клетках».

Неля Дорошкевич, младший научный сотрудник сектора  рамановской спектроскопии ЛНФ: «Наш сектор занимается перспективными проблемами бимомедицины, люминесценции. Это уникальный прибор, он позволяет исследовать вещества различного происхождения на атомарном уровне»

Григорий Арзуманян, начальник сектора рамановской спектроскопии ЛНФ ОИЯИ: «Мы инсталлировали атомно-силовой микроскоп. Вокруг – инфраструктура, где мы собираемся  синтезировать определенные наночастицы для наших исследований. (До недавнего времени эти наночастицы или другие образцы  закупали и проводили исследования по рамановскому рассеянию).  Передовая российская компания из Зеленограда —   лидер в России  по разработке серии  атомно-силовых микроскопов  мирового уровня — у них есть платформа ИНТЕГРА – базовая платформа. Наш микроскоп собран на платформе ИНТЕГРА и позволяет проводить топографию, рельеф поверхности на уровне нанометра и доли нанометра. Наши исследования в целом направлены  в сторону биомедицинских исследований по раманну, по люминесценции. Отличительная особенность этого микроскопа – к нему  будет дополнительная  биологическая  ячейка, которая позволяет сканировать  рельеф и биологических образцов, что очень важно и интересно. А второе направление  — мы должны исследовать   наши плазмонные структуры   для усиления рамановского рассеяния. Приглашаем всех потенциальных юзеров участвовать в программе. Все заинтересованные сотрудники ЛНФ и других Лабораторий – добро пожаловать».

Пользовательская программа, таким образом, расширяется. Новое оборудования должно заинтересовать специалистов в области биомедицины.

Валерий Швецов, директор Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «Иногда бывает, что материаловедческие  работы до 50% занимают, в прошлом году  было более 20 %. Мы находимся  в общем тренде  всех мировых источников — примерно такое же распределение, мы сильно не отличаемся.  Мы не определяем эти направления исследований, они определяются самими исследователями. Скажем, биологические исследования – это все-таки общая тенденция,  они все больший процент занимают, а у нас  только 6% — это  отметил председатель Программного комитета  профессор Надь, и это не наше достоинство, а  наш недостаток».

На сессии Программного комитета было сделано очень интересное, изложение проекта нового нейтронного источника ОИЯИ. Предлагается супербустер, хотя это только одна из нескольких возможных концепций.

Норберт Кучерка, заместитель директора Лаборатории нейтронной физики: «Раз мы говорим об источнике нейтронов, там самое главное направление  — это рассмотрение кристаллической структуры  и магнетических свойств. Это все в будущем сохранится. А в дополнение к этому — еще очень хорошее направление для нейтронов –   неупругое рассеяние, которое долгое время уже развивается и у нас на ИБРе, и в будущем, как предполагаем,  будет развиваться на новом источнике.  Также нейтронами можно рассматривать большие объемы  материалов, из-за этого можно рассматривать  так называемые инженерные свойства больших материалов. Это значит – текстуру  и нарушение кристаллической структуры в таких материалах.  Раз говорим о нейтронах, они взаимодействуют с водородом и с дейтерием, из-за этого они годятся для измерения материалов богатых на водород. Это касается  мягкого состояния вещества и биоматериалов.  В будущем   предлагается  как раз  повысить количество нейтронов, приходящих из источника, и исследования биоматериалов  будут намного улучшены».

Валерий Швецов, директор Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ: «Там в 10 раз интенсивность пиковая превысит ESS (создаваемый сейчас в Швеции европейский нейтронный источник),  и это именно то главное свойство нового источника. Именно это позволяет совершенно новые объекты исследовать – биологические, о которых Норберт  с воем докладе говорил,  и проводить  исследования в реальном времени, когда динамику процессов  вы можете смотреть в течение очень короткого времени. Но это, конечно, непростая задача, и это главное, о чем нас просит  и Программный комитет, и Ученый совет – обоснование научной ценности нового источника».

Исследованиям биологических материалов в Лаборатории нейтронной физики будет уделяться еще больше внимания. В секторе рамановской спектроскопии  для пользователей есть приборы, которые могут прекрасно справиться с этой задачей.
Научно-информационный отдел ОИЯИ, 2018
Редактор портала: Инна ОРЛОВА
Видеограф: Евгений ГОРЯЧКИН

http://www.jinr.ru

http://www1.jinr.ru/News/Jinrnews_rus.html