НАНООБЪЕКТЫ
НА ПОВЕРХНОСТИ КРИСТАЛЛОВ
За цикл работ по теме «Неавтономные фазы на поверхности минеральных кристаллов и их роль в концентрировании элементов-примесей» научный сотрудник лаборатории экспериментальной геохимии ИГХ СО РАН, кандидат химических наук Сергей Владимирович Липко получил премию имени академика Л. В. Таусона.
Г. Киселёва, «НВС»
Сергей закончил физфак Иркутского государственного университета в 2003 году по специальности «медицинская физика». И хотя на 3-м курсе работал в Институте солнечно-земной физики СО РАН в группе GPS-мониторинга под руководством Э. Л. Афраймовича, обстоятельства заставили перейти в Сибирский всероссийский алюминиево-металлургический институт. Здесь и диплом писал, и работал в лаборатории физико-химических методов анализа. Благодаря дружному и высококвалифицированному коллективу под руководством А. В. Кюн молодому специалисту удалось освоить различные физические методы анализа, в том числе и атомно-силовую и туннельную микроскопию. С лабораторией также связан и первый значимый успех — губернаторская премия по науке и технике за работу «Цикл научно-исследовательских и прикладных работ по металлургии алюминия и алюминиевых порошков».
Одновременно учился в аспирантуре Института геохимии СО РАН, работал у доктора химических наук В. Л. Таусона. ОАО «СибВАМИ» скоро расформировали, и молодой человек всецело мог посвятить себя геохимической науке. В прошлом году защитился, а в этом результаты его исследований были отмечены высокой наградой СО РАН.
Обнаружены впервые
— Я занимаюсь атомно-силовой и туннельной микроскопией, — рассказывает Сергей. — Уникальность этого метода в том, что он позволяет получать трёхмерное изображение поверхности с ангстремным разрешением на воздухе. Правда, мы не можем максимально использовать данную уникальную возможность, поскольку внешние условия не соответствуют эксплуатационным. Нужно особое помещение, высокий класс чистоты. А наш сканирующий мульти-микроскоп СММ-2000, сделанный в Зеленограде российскими мастерами, очень компактный и может легко разместиться на письменном столе. И считается, что создавать для него особые условия не стоит, он и так достаточно эффективен — позволяет исследовать поверхности минералов с нанометровым разрешением.
Изучение поверхности различных минералов с помощью СММ-2000 и других поверхностных методов позволило доказать присутствие на поверхности кристаллов различных по своей природе минеральных и неорганических веществ особых фазовых образований — неавтономных фаз — и обосновать их роль в распределении элементов-примесей. Неавтономные фазы обладают способностью поглощать элементы-примеси в сверхвысоких концентрациях, что приводит к значительным различиям поверхностных и объёмных коэффициентов распределения, достигающих трёх порядков величины и более. Данный эффект является важной причиной существования зависимости содержания элемента от размера кристалла.
Практический интерес
Интерес к наноразмерным объектам обусловлен возможностью значительной модификации и изменения свойств известных материалов при переходе их в нанокристаллическое состояние. Модифицирование поверхности неорганических или минеральных кристаллов в направлении создания неавтономных фаз с заданными свойствами может существенно улучшить свойства неорганических сорбентов, повысить их эффективность и избирательность. Поверхностные фазы несут информацию об условиях образования минерала и его геологической истории, что важно для поисковой геохимической практики.
Только вместе
Работа, конечно же, выполнялась коллективно. Известно, что поверхность кристалла, даже атомно-гладкая, является двумерным дефектом кристаллической структуры. Однако до последнего времени, до появления принципиально новых методов анализа и визуализации поверхности, сведений о реальной структуре поверхности было совершенно недостаточно. Наша работа — одно из тех современных исследований, которые во многом восполняют этот пробел в знаниях. Становится понятно, что поверхность кристалла — особая зона, где действуют законы нанохимии и нанофизики, образуются неавтономные фазы, которые не могут существовать без поверхности и где мощно действует эффект улавливания поверхностью микропримесей.
Мой учитель
Владимир Львович Таусон — мой учитель и сын учёного, именем которого названа полученная мною премия — известный специалист в области исследования проблем теоретической и экспериментальной минералогии и геохимии. В 1995 году он в составе коллектива авторов отмечен премией Правительства РФ
в области науки и техники за работу «Теоретические аспекты и технология выплавки кремния», в 1999 году за коллективную монографию «Геохимия твердого тела» получил медаль и диплом Всероссийского минералогического общества, в 2002-м — премию имени А. П. Виноградова за серию работ «Экспериментальные и теоретические исследования гетерогенных равновесий и поведения микроэлементов в геохимических системах с реальными кристаллами фаз».
Было обнаружено, что содержание золота на поверхности пирротина превышает концентрацию в объёме самого кристалла в 10 тысяч раз. С чем это связано, что заставляет золото агрегироваться на поверхности? Когда появился атомно-силовой микроскоп, удалось увидеть на поверхности минерала пирамидальные кристаллические наноструктуры. Владимир Львович определил их как неавтономные фазы и первый понял, что это как раз и есть то, что концентрирует золото на поверхности.
Поступив в аспирантуру, я стал заниматься этим вопросом — определять условия роста и свойства этих неавтономных фаз. На первом этапе надо было доказать, что они действительно существуют. Был разработан новый подход, объединяющий методы электронной спектроскопии, сканирующей зондовой микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа с методами экспериментальной геохимии (синтез и превращение минералов при заданных условиях) и исследованием поверхностей природных минералов, определением в них различных форм нахождения элементов (основные формы нахождения примесей в кристалле хемосорбционная, физическая, структурная и минеральная. К последней форме относится неавтономная нанофаза).
Интерес к методикам
Я взаимодействую со многими институтами: Институтом медицины ВСНЦ СО РАМН, институтами Сибирского отделения — Иркутским институтом химии, СИФИБРом и ЛИНом, и везде этот подход анализа поверхности работает. Допустим, в Институте химии получают наночастицы золота, которые используют для изготовления лекарств. Наночастицы, покрытые арабиногалактаном, предстоит направить с лекарствами в больной орган человека. Арабиногалактан — это органика, она занимает 500 нанометров вокруг самой наночастицы, как «конфетка» в эту оболочку завернута. Был выполнен морфологический анализ поверхности оболочки. Больших результатов, правда, это не принесло. А вот с Институтом хирургии получены интересные результаты, которые впоследствии распространились и на другие биологические объекты. Мы исследовали митохондрии, смотрели, как атеросклероз влияет на мембрану митохондрии. Опубликовали совместных три статьи в рецензируемых журналах. Исследования проводили на крысах, и здоровых, и больных атеросклерозом, увидели, как меняется структура мембраны.
В ЛИНе занимаюсь изучением механических свойств диатомовых водорослей. Загадка того, как они из чистой воды добывают кремний и создают из него такие причудливые формы домиков-панцирей, интересует многих. Мы сначала посмотрели морфологию поверхности этих строений и обнаружили, что стенки панциря диатомовых сложены из элементарных структур. Механизм такого строительства пока непонятен. На данном этапе стоит задача определения механических свойств диатомовых в рамках эволюции, то есть, нужно определить прочность панциря для различных видов диатомей и сравнить с прочностью зубов ракообразных, которые их поедают, перемалывая. Это нужно для изучения эволюции данных видов. Трудность заключается в том, что инструмента, позволяющего выполнить данное исследование, в России пока нет.
Такие работы по неавтономным фазам в мире, насколько я могу судить по анализу публикаций, не ведутся. Соперников пока не видно — они исследуют в основном атомно-чистые сколы.
Итак, нами доказано существование неавтономных фаз, изучены свойства и условия их образования. Кроме того, состав и свойства неавтономных фаз отличаются друг от друга в зависимости от происхождения минерала, а это позволяет отследить, в каких условиях рос кристалл, проследить всю его историю.
Фото В. Короткоручко
стр. 12
|
