Немного нано: новый прибор скопирует любой материал по одной частице

Российские ученые предложили устройство, которое позволяет проводить анализ тепловых эффектов и микроструктуры материала в течение несколько миллисекунд. При этом для теста требуются образцы весом от одного нанограмма. Разработка дает возможность оптимизировать синтез медицинских препаратов или смоделировать на чипе технологию производства материалов для полимерной промышленности. Важным направлением применения устройства может быть безопасное изучение реакций горения и взрыва. Вместе с тем сочетание методов анализа открывает перспективы для новых способов изучения материалов.

Как происходят нановзрывы

Ученые из Университета МИСИС создали лабораторную установку, позволяющую исследовать крупицы вещества с количеством от одной миллиардной доли грамма, или нанограмма. Она представляет собой комплекс приборов, с помощью которых специалисты изучают теплоемкость материалов, наблюдают тепловые эффекты, возникающие при их быстром нагреве или охлаждении, и одновременно исследуют микроструктуру материала.

Особенность разработки состоит в том, что анализ осуществляется практически моментально — потребуется несколько миллисекунд. Этот сверкороткий шаг дает возможность увидеть, что происходит в материале при изменении его температуры на тысячи градусов в секунду.

— Такой процесс нагрева фигурально равноценен вспышке или взрыву. Например, подобных скоростей нагрева можно было бы ожидать, если бы рядом взорвалась ядерная бомба. Чтобы воспроизвести в лаборатории этот эффект, нужна большая мощность. Однако в нашем приборе используются микроскопические, практически следовые, количества вещества. Поэтому для проведения таких экспериментов требуется минимум энергии, а сами нановзрывы безопасны для экспериментаторов, — рассказал «Известиям» один из создателей приборного комплекса, руководитель университетской лаборатории «Структурные и термические методы исследования материалов» Дмитрий Иванов.

Он пояснил, что измерительная ячейка представляет собой тонкую мембрану на кремниевой основе. Ее используют и как подложку, на которую укладывается образец, и как микросхему, где собрана необходимая электроника. Такой чип позволяет контролируемо нагревать образец и одновременно измерять возникающие тепловые эффекты и структурные измерения.

По мнению ученого, разработанное устройство представляет большой интерес для фундаментальной и прикладной науки. Эксперименты на ближайшем заграничном аналоге занимают значительно больше времени. Кроме того, выбор возможных типов экспериментов по определению тепловых характеристик вещества сужается. Вдобавок вызывает опасение скрытая часть программного кода в иностранном оборудовании, которая отвечает за предварительную обработку сигнала и таким образом не дает исследователям доступа к исходным данным.

Как изучать микроструктуру материалов

Разработка способна облегчить жизнь ученых в тех отраслях, где требуются материаловедческие исследования, отметил Дмитрий Иванов. Например, на полимерном производстве с помощью устройства можно на чипе на малом объеме вещества воспроизвести условия изготовления будущей продукции.

Также новинка будет актуальна в фармацевтике, где специалисты синтезируют большое количество вариантов препаратов и изучают их фармакологическую активность. Кроме того, с помощью установки можно с высокой эффективностью изучать свойства биополимеров.

Еще одно важное направление — это теория и практика горения различных материалов. Так, с помощью нового прибора ученые на микроскопических образцах могут безопасно изучать механизмы цепных реакций, которые происходят во время взрыва.

— Разработка имеет открытый дизайн, что дает возможность сочетать ее с различным научным оборудованием. Например, с рентгеновским аппаратом либо с электронным или оптическим микроскопом. Благодаря этому можно проводить различные комплексные исследования, — прокомментировал ведущий инженер проекта Алексей Мельников.

В настоящее время опубликована серия статей, которые показывают эффективные решения в этом направлении, рассказал он. В одной из последних работ было продемонстрировано, что даже в сочетании прибора с простым оптическим микроскопом, оснащенным сверхбыстрой видеокамерой, можно получить результаты, сопоставимые с теми, которые ученые получают на установках класса мегасайенс — грандиозных объектах, нацеленных на прорывы в науке.

Установку можно рассматривать как новый виток в развитии приборостроения, когда из отдельных аппаратов можно собирать научные комплексы и изучать неизвестные материалы спектром методов за короткий срок, добавил Алексей Мельников.

Как рассказали ученые, в настоящее время разработана программа и методические материалы для внедрения разработанных способов в учебный процесс в передовых образовательных учреждениях страны. Новые приборы помогут школьникам и студентам глубже освоить такой сложный раздел физики, как термодинамика, а также получить представление о кинетике протекания химических реакций.

— Обсуждаемый метод, с одной стороны, обеспечивает быстрый анализ, а с другой — дает полную информацию о структуре и теплофизических свойствах материалов. При этом он обладает сверхвысокой чувствительностью к образцу и позволяет работать со сверхмалыми количествами. Сочетание таких характеристик критически важно в исследованиях, где масса образца лимитирована. Например, из-за высокой стоимости синтеза нового препарата, — отметила младший научный сотрудник Лаборатории перспективных материалов для биомедицины и энергетики Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН Азалия Ахкямова.

Комбинирование методов позволяет получать результаты, которые ранее были невозможны, добавила она.

— Возможность анализа термодинамически неустойчивых систем крайне важна для таких сфер, как химия, фармацевтика и других. Данная ниша в настоящий момент не заполнена российской номенклатурой. Поэтому можно предположить, что на прибор будет спрос со стороны отечественных исследователей, — рассказала «Известиям» соавтор проекта «Наша Лаба», член Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при президенте по науке и образованию Ольга Тарасова.

При этом, по мнению эксперта, для массового внедрения разработчикам важно отработать технологичность конструкции устройства. Это необходимо для того, чтобы отладить серийное изготовление приборов, а также для удобства их дальнейшего использования в научных лабораториях. Однако этот процесс может занять много времени, резюмировала она.