Станция как микроскоп
Уникальный инструмент для материаловедов создадут на Сибирском кольцевом источнике фотонов.
Мировая практика показывает, что создание установок мегасайенс движет вперед не только науку, но и технологии. Но, главное, суперсовременный высокотехнологический комплекс, для которого требуются специалисты высшей квалификации, может стать точкой роста для региона. И, конечно, крупнейший новосибирский вуз, каким является НГТУ НЭТИ, не мог не участвовать в проведении исследований, создании оборудования, подготовке кадров для источника синхротронного излучения 4+ поколения, строящегося под Новосибирском.
В рамках проекта «Сибирские университеты и ЦКП «СКИФ»: векторы интеграции и создание кампуса мирового уровня» (программа «Приоритет 2030») мы начинаем представлять исследования, разработки, образовательные программы НГТУ НЭТИ и других сибирских университетов, связанные с Сибирским кольцевым источником фотонов. Напомним, Центр коллективного пользования «СКИФ» представляет собой комплекс из 34 зданий и сооружений, а также инженерного и технологического оборудования. Там будут проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения во множестве областей — химии, физике, материаловедении, биологии, геологии, гуманитарных науках. Ранее такие эксперименты российские ученые ставили преимущественно на зарубежных источниках. Также СКИФ поможет решить актуальные задачи инновационных и промышленных предприятий. Строительство Сибирского кольцевого источника фотонов реализуется в рамках национального проекта «Наука и университеты». Общее финансирование проекта составляет 47,27 млрд рублей. Работы по созданию СКИФ должны быть завершены к концу 2024 года.
Наш собеседник — заведующий научно-исследовательской лабораторией физико-химических технологий и функциональных материалов НГТУ НЭТИ, руководитель направления «Научные станции НГТУ в ЦКП «СКИФ» (программа «Приоритет 2030») доктор технических наук Иван Батаев.
— Иван Анатольевич, для каких материаловедческих исследований может понадобиться такой суперсовременный инструмент, как СКИФ?
— Материаловедение — достаточно широкая область исследований. Те работы, которые мы раньше вели с использованием зарубежных источников синхротронного излучения (BESSYII в Германии, ESRF во Франции), а затем на ВЭПП-3 и ВЭПП-4 в Институте ядерной физики СО РАН, связаны с материалами конструкционного назначения. Мы пытались разработать материалы, обладающие особыми свойствами, которые позволяли бы выдерживать серьезные нагрузки — растяжение, сжатие, давление, кручение, высокие температуры. Словом, все те нагрузки, которые падают на несущие элементы различных приборов или оборудования в современном производстве, а также на детали транспортных средств — самолетов, кораблей.
Из области медицины могу привести в пример исследование титан-ниобиевых сплавов, которые используются в качестве перспективных материалов для изготовления имплантов тазобедренных и коленных суставов. Мы провели сложную работу по оптимизации состава этих сплавов, и, не будь у нас подходящего инструмента в виде источника синхротронного излучения, для набора достаточного объема данных нам бы потребовались годы. Это исследование было сделано на немецком источнике СИ, результаты опубликованы в престижных журналах и вызвали большой интерес у научного сообщества. Сейчас у нас нет доступа к европейским источникам, но проблему, надеюсь, поможет решить запуск СКИФ. Также НГТУ НЭТИ является одним из немногих в мире университетов, применяющих технологии синхротронного излучения для анализа поведения материалов в условиях трения. Насколько я знаю, подобные исследования проводят только японские материаловеды. У нас немного разные подходы, но общая цель — выяснить, как повысить износостойкость материалов и как управлять коэффициентом трения, если это в принципе возможно.
— Для материаловедческих исследований планируется создание двух станций НГТУ НЭТИ во второй очереди ЦКП «СКИФ». Расскажите, пожалуйста, подробнее об этих станциях.
— Действительно, хотелось бы создать две станции, поскольку они хорошо друг друга дополняют. Станция, которая уже есть в списке под номером 2.1, — первая из запланированных во второй очереди. Там мы будем исследовать материалы с помощью фотонов высоких энергий (от 30 до 100 кэВ). Такая энергия нужна, чтобы «просвечивать» материалы, преимущественно металлические, и смотреть, что происходит внутри в процессе внешних воздействий — нагрева, деформации, синтеза. Можно будет видеть изображение того, что происходит внутри образца (т.н. imaging), проводить дифракционные исследования, определять элементный состав и фиксировать его изменение. Характерный размер образцов для этой станции — от 100 микрометров до нескольких сантиметров. Они сопоставимы с деталями, которые использует сегодня промышленность.
Вторая станция дала бы нам возможность вести более тонкие исследования — на субмиллиметровом, микронном и даже субмикронном уровне. Ее можно считать своего рода аналогом микроскопа. Электронные микроскопы нам давно известны, а вот аналог такого микроскопа в виде специализированной станции синхротронного излучения — инструмент пока уникальный. Но очень удобный для материаловедов: когда мы работаем с материалами на субмикронном уровне, основная проблема заключается в том, чтобы понять, какую именно область материала мы исследуем. Увидеть на образце точечку, куда падает рентгеновское излучение, очень тяжело. И мы пытаемся разработать методику, как «поймать» и контролировать эту область на субмикронном уровне.
— То есть первая станция дает возможность в целом понять, что происходит внутри материала, а вторая — что происходит в конкретном месте образца при точечном воздействии…
— Именно так. Материаловедение — наука о структуре материала, а эта структура строится на нескольких уровнях — от атомарного масштаба до макроскопических размеров (десятки сантиметров и метры конструкции). Нам бы хотелось максимально перекрыть весь этот диапазон в своих исследованиях. У станции 2.1 недавно появились аналоги на нескольких источниках — в Великобритании, США и Австралии. В этом смысле нам легче: можем посмотреть, где ошиблись первопроходцы, и подправить с конструкторской точки зрения. Что касается «синхротронного микроскопа», мы сами станем первопроходцами, аналогов в мире нет и опереться нам не на что. Удастся построить такую станцию — это будет реальный прорыв.
— Наверняка пришлось столкнуться с какими-то технологическими и конструкторскими вызовами при решении такой глобальной задачи…
— Проблем здесь несколько. Во-первых, высокие тепловые нагрузки на все оптические элементы приводят к нестабильности пучка синхротронного излучения. Следовательно, надо серьезно продумывать системы охлаждения. Во-вторых, остро стоит проблема вибраций. Даже невидимые человеческому глазу вибрации на микронном и субмикронном уровне оборудование чувствует. Самое интересное, что вторая проблема иногда связана с первой:охлаждающие приборы тоже привносят вибрации, и нужно оптимизировать систему. И, наконец, точность изготовления оборудования. Спроектировать мы можем, но вопрос заключается в том, кто может изготовить точно по чертежу.
Что касается сроков создания вышеупомянутых станций, то в идеале первая может быть запущена в 2026-м (если в 2025-м будет получено финансирование на строительство второй очереди). А насчет второй станции мы договорились с проектным офисом СКИФ следующим образом: проект сложный, сначала будем отрабатывать все критические технологии на экспериментальных станциях первой очереди. А когда увидим, что непреодолимых препятствий к реализации задуманного нет — включим в планы строительства.
— Конечно, реализация столь грандиозных планов невозможна без сотрудничества с коллегами. Да и установки мегасайенс для исследователей — традиционное место формирования коллабораций. Кого бы Вы упомянули в качестве основных партнеров?
— Очень тесные контакты сложились с рядом университетов и академических институтов, которые сами разрабатывают либо станции, либо уникальное оборудование для них: Балтийский федеральный университет имени Канта, Томский политехнический университет, томский Институт физики прочности и материаловедения, Уфимский университет науки и технологий, МВТУ им. Баумана, Институт гидродинамики, ИТПМ, ИЯФ, КТИ НП и многие другие институты СО РАН. Интерес проявляют коллеги из Сколково и университета «Сириус». Это что касается российских исследователей.
А вокруг «синхротронного микроскопа» уже сложилась международная коллаборация, состоящая из российских ученых, работающих в Великобритании (синхротрон Diamond Light Source), Германии (Европейский лазер на свободных электронах XFEL) и других установках мегасайенс. А к ним присоединились представители отечественных университетов: Нижегородского государственного технического университета, Сколково, Московского государственного университета — и академических институтов, в первую очередь ИЯФ.
Новый инструмент, безусловно, нужен многим исследователям.