В конце 2019 года в Институте катализа СО РАН запустили новый просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения Themis Z, стоимостью около 495 миллионов рублей. Подробнее о том, чем ценен этот микроскоп и какие исследования будут проводиться с его помощью рассказал заместитель директора ФИЦ «Институт катализа СО РАН» по научной работе, д.х.н. Олег Николаевич Мартьянов.
– Для начала расскажите, пожалуйста, что это за микроскоп, который стоит почти полмиллиарда рублей?
– Это просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения последнего на сегодняшний день поколения, изготовленный компанией Thermo Fisher Scientific, которая заслуженно считается мировым лидером в производстве подобного оборудования. Микроскоп обладает разрешением 0,7 ангстрем в режиме просвечивающей электронной микроскопии и 0,6 ангстрем в режиме сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, что очень близко к пределу возможного для микроскопов подобного типа. C его помощью мы можем визуализировать отдельные атомы даже при отсутствии кристаллической решетки.
– Кто еще в нашей стране и в мире располагает подобной техникой?
– Чтобы корректно ответить на этот вопрос, сначала надо вспомнить, что из себя представляют микроскопы подобного уровня. Их конструкция чем-то напоминает известный конструктор «Лего»: в зависимости от задач заказчика прибор комплектуется теми или иными блоками, приставками и т.п. В итоге, в год компания выпускает порядка сотни микроскопов первоклассного уровня, это весьма популярная в мире линейка приборов, ориентированных на определенные области применения и, соответственно, различающихся по своим характеристикам. Например, для биологов на такой же базе реализуется криоэлектронная микроскопия, за которую недавно вручили Нобелевскую премию. Есть варианты для материаловедения, электроники, и т.п. Мы же приобрели версию микроскопа для исследований в области катализа. Таких приборов в мире считанные единицы. А в нашей стране на данный момент аналогов нет, есть подобные микроскопы этого же производителя в «СколТех», в Уральском федеральном университете и новосибирском Институте физики полупроводников, но это микроскопы предыдущего поколения, которые уступают ему по ряду параметров.
– Уникальная техника требует уникальных специалистов по работе с ней. В Институте катализа достаточно таких кадров?
– Да. Я могу с уверенностью сказать, что у нас работает лучшая в стране группа специалистов по использованию просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения в области катализа. Что, к слову, было одной из причин, по которой этот микроскоп достался нам. Эта команда оптимально сочетает в себе опыт (в составе группы работает, к примеру, Владимир Иванович Зайковский, который работал еще с первыми просвечивающими микроскопами, поступавшими в СССР) и энергию более молодых сотрудников. Плюс, практически все они прошли стажировку в мировых научных центрах, располагающих подобным оборудованием.
– Какие научные задачи намерены решать с помощью нового прибора?
– Есть целый ряд важных задач, решение которых возможно лишь на микроскопах такого уровня. Прежде всего, это исследования катализаторов с низким содержанием активного компонента и тех, где в этой роли выступают отдельные атомы так называемые single–site catalysts. Дело в том, что до сих пор не решен до конца вопрос, что является активным центром во многих катализаторах. Например, для катализаторов, нанесенных на оксидную подложку (а это очень распространенный в промышленности тип). Долгое время считалось, что активным компонентом катализатора могут являться только нанесенные наночастицы и в соответствии с этим и выстраивалась технология нанесения каталитически активного компонента на подложку. Но когда в распоряжении ученых появились микроскопы с разрешением как у нашего, то появились первые работы, показывающие, что эту функцию могут выполнять отдельные атомы, которых на поверхности носителя намного больше, чем наночастиц, а то, что мы считали наночастицей, часто оказывается скоплением кластеров меньшего размера. Раньше мы просто не могли это увидеть. Какова на самом деле роль таких single-site еще предстоит выяснять, но в результате мы рассчитываем получить более верную картину того, как работает целый ряд важных для промышленности катализаторов. И, соответственно, более точно управлять их работой.
Второе важное направление исследований, в котором будет задействован прибор, – изучать химические реакции в режиме in situ, т.е. во время их протекания. По большому счету, в области катализа получить что-то новое или существенно улучшить работу существующих катализаторов можно только используя этот режим. Идея влияния среды, в которой работают катализаторы, на состав и строение активного центра была высказана еще основателем нашего Института – Георгием Константиновичем Боресковым. Позднее в работах нашего действующего руководителя, академика РАН Валерия Ивановича Бухтиярова на примере ряда нанесенных катализаторов методом РФЭС (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) было экспериментально показано, что зарядовое состояние активного центра изменяется под действием среды. Изучать это можно только наблюдая за всем процессом протекания реакции. Ну а поскольку, как я уже сказал, на роль активного центра теперь претендуют отдельные атомы, то нужна техника, позволяющая разглядеть, что именно происходит в катализаторе на атомарном уровне.
Также микроскоп позволяет выполнять картирование катализатора с атомарной точностью. Это тоже ранее было для нас недоступным уровнем исследования катализаторов. Теперь мы можем селективно определять место определенных элементов в катализаторе. То есть, видим: кислород – здесь, титан – здесь, стронций – здесь. И в итоге получаем картинку, которая точно описывает его строение, вплоть до валентного состояния отдельных атомов. Знать это важно потому, что работа активных центров катализатора напрямую связана с их структурой и электронным строением. Например, если где-то атом определенного элемента отсутствует, то возникает дефект структуры, который может сформировать необходимые активные состояния. Изучив корреляцию между структурой центра и его каталитической активностью, мы начинаем понимать, что нужно делать, чтобы все каталитические центры работали так, как нам надо. И опять, как вы понимаете, для этого надо суметь картировать структуру с предельно высоким уровнем разрешения.
Есть и другие важные направления исследований. Одно могу сказать точно: такое дорогое и уникальное оборудование не будет использоваться для решения рутинных задач. А первые результаты мы увидим, как только микроскоп выйдет на проектную мощность. По нашим расчетам это произойдет примерно через полгода.
Сергей Исаев
Фото предоставлены ФИЦ Институт катализа СО РАН
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии