Кристаллография

Представлены первые результаты использования нового экспериментального метода фазово-контрастной микроскопии микрообъектов с использованием синхротронного излучения и нанофокусирующей линзы в конической геометрии. В эксперименте формируется вторичный источник излучения в фокусе линзы на малом расстоянии от микрообъекта, что позволяет получить его увеличенное изображение. В условиях ближнего поля структура микрообъекта относительно легко определяется из экспериментального изображения на основе уравнения транспорта интенсивности. Эксперимент выполнен на источнике “КИСИ-Курчатов”. Использовался модельный слабо поглощающий микрообъект, а именно коммерчески доступное углеродное волокно марки ВМН-4. Получены размеры и особенности структуры волокна с субмикронным пространственным разрешением, которые совпадают с результатами электронной микроскопии.

Методом электронно-ионной микроскопии проведена трехмерная реконструкция микроструктуры дефектов, связанных с образованием усталостных трещин в образцах, разрушенных в результате малоцикловых испытаний. Определены геометрические параметры выделенных в процессе 3D-реконструкции дефектов, содержащих Hf, Nb, Ti, Al, Ni. Морфология отдельных частиц представлена набором форм, образующих плоские (чешуйчатые) конгломераты размером до десятков микрон, которые не могут быть обнаружены неразрушающими методами контроля. Выявленные особенности морфологии позволяют предложить комплекс мер по увеличению срока службы деталей, изготовленных из гранулируемого жаропрочного никелевого сплава ЭП741НП, что является важным практическим результатом исследования.

Исследовано влияние температуры на структуру монокристаллов трис(этилендиамин)никель(II)дихлорида дигидрата [Ni(en)₃]Cl₂·2H₂O, или [Ni(H₂NCH₂CH₂NH₂)₃]Cl₂·2H₂O. Методом рентгеноструктурного анализа изучена перестройка структуры при понижении температуры от 293 до 85 К. Установлено трехкратное уменьшение объема элементарной ячейки кристалла при сохранении пр. гр. С2/с.

Исследовано влияние сшитого сульфосукциновой кислотой поливинилового спирта (ПВС) на структуру, морфологию, физико-механические и электрохимические свойства композиционных мембран из отечественного перфторированного сополимера – аналога Nafion – и ПВС. Увеличение количества сшитого ПВС в мембране приводит к повышению протонной проводимости. Степень кристалличности композитов зависит от доли сшивающего агента. Морфология поверхностей мембран существенно различается: нижняя поверхность имеет однородную микроструктуру, а верхняя образует трехмерные складчатые структуры при самоорганизации полимерных цепей в поверхностном слое. Согласно данным энергодисперсионного анализа два слоя мембраны существенно различаются по химическому составу, что иллюстрирует профиль распределения фтора по толщине мембраны. Наблюдаемые структурно-морфологические особенности мембран объясняют различия в их протонной проводимости.

Представлены результаты комплексного исследования динамики фазовых переходов в тонких пленках SmS: механически индуцированного полировкой перехода полупроводниковой фазы в металлическую и термически индуцированного обратного перехода из металлической в полупроводниковую фазу. Обнаружено, что обратный фазовый переход происходит при охлаждении образца в интервале температур 408–373 К. Изменение фазового и элементного состава тонких пленок наблюдается при описываемых фазовых превращениях приповерхностного слоя. Исходя из полученных данных можно рассматривать тонкие пленки SmS как структуры с предсказуемой и требуемой динамикой обратимых фазовых превращений, что в дальнейшем может быть использовано для создания функциональных материалов и элементов датчиков давления широкого спектра.

Представлены результаты моделирования поверхностной энергии граней (100), (010), (001), (110) и (110) кристаллов линейных аценов (нафталин, антрацен, тетрацен, пентацен) в приближении метода силового поля OPLS и теории функционала плотности уровня B3LYP/6-31G(d,p). Моделирование выполнено на основе уточненных методом рентгеновской дифракции структуры монокристаллов линейных аценов. Для кристаллов антрацена, тетрацена и пентацена получена экспериментальная оценка поверхностной энергии грани (001) методом краевого угла смачивания. В рамках классического термодинамического подхода с учетом анизотропии поверхностной энергии получены и проанализированы выражения для критических размеров зародышей кристаллов при гомогенном и гетерогенном процессах в условиях роста из пара и раствора.

Методом молекулярной динамики исследованы особенности ионного переноса в кристаллах тетрабората лития Li₂B₄O₇ с вакансионным разупорядочением. Показано, что ионный транспорт, обусловленный переносом ионов лития, является анизотропным. Наибольшие значения коэффициентов диффузии наблюдаются вдоль оси с и составляют D_Li ~ 1 × 10^–6 см²/с при температурах, близких к температуре плавления. Показано, что перескок ионов лития осуществляется на расстояния от 1.5 до 3.5 Å по вакансионному механизму, длина коррелированных перескоков может достигать 6 Å.

Впервые проведены измерения протяженной тонкой структуры спектров поглощения белкового монослоя на жидкости. В качестве тестового объекта использован человеческий сывороточный альбумин, обработанный раствором хлорида цинка в критически низкой концентрации (3.6 × 10⁻⁷ М), что сравнимо с концентрацией цинка в сыворотке крови. Использована многопроходная методика регистрации флуоресцентного излучения в условиях полного внешнего отражения. Оценка временной стабильности спектров за K-краем поглощения цинка выполнена с помощью взвешенного регрессионного анализа. Установлено, что временных изменений в измеренных спектрах поглощения не наблюдается. Показано, что ошибка измерения осциллирующей части суммарного спектра не превышала 1%, что позволило определить радиус первой координационной сферы цинка с точностью ±0.01 Å.

Методом соосаждения из водных растворов нитратов получены наноразмерные полизамещенные твердые растворы, содержащие от трех до восьми двух- и трехвалентных катионов в разных количественных соотношениях, общей формулой Mⁿ_1−xR^m_xF_2+x, где M = Ca, Sr, Ba, Pb, R = La, Gd, Dy, Yb, n = 3 и 4, m = 0, 1, 2 и 4, а х варьируется от ~0.07 до ~0.3 для разных катионных композиций. Все они сохраняют флюоритовую структуру (тип CaF₂, пр. гр. Fm3m). Показаны возможности осаждения смешанных твердых растворов с различными комбинациями катионов и с применением разных фторирующих агентов. Показано, что полученные твердые растворы являются средне- и высокоэнтропийными фазами.

Разработан метод получения наночастиц гексагонального нитрида бора (h-BN) размером 2–10 нм со степенью кристалличности до 99%. Метод основан на двухступенчатой термической обработке при температурах 600 и 1000°C с использованием борной кислоты, мочевины, азота и водорода. Методами рентгенофазового анализа, просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения, электронной дифракции на выбранной области и анализа карт электронной плотности подтверждены гексагональная структура h-BN с межплоскостным расстоянием 3.3 Å, узкое распределение размеров и равномерное распределение элементов в материале. Предложенный подход исключает использование токсичного аммиака, энергоэффективен и подходит для промышленного масштабирования. Полученные наночастицы могут применяться в трибологических покрытиях и смазочных материалах.

Представлены результаты исследования водных растворов гидрофосфита гуанилмочевины (GUHP), в частности изотермическое сечение фазовой диаграммы в системе исходных реактивов для синтеза соли GUHP при 25 и 45°С. Изучена растворимость GUHP в воде в зависимости от рН. Определены условия роста объемных кристаллов. Проведено индицирование граней кристалла GUHP. Впервые исследованы особенности реальной структуры монокристаллов GUHP в зависимости от условий роста.

Приведены результаты изучения структурно-фазового состава, оптических и термолюминесцентных свойств образцов керамики β-Ga₂O₃, полученной методом плазменного газотермического напыления, с точки зрения перспектив применения ее как люминесцентного материала. Исследованы как синтезированные образцы, так и прошедшие постростовую высокотемпературную и плазменную обработку. Показано, что синтезированные образцы керамики без дополнительной обработки из-за высокой концентрации собственных дефектов F-типа не обеспечивают необходимой чувствительности к излучению, а пик термолюминесценции расположен при температуре 350°С, неудобной для регистрации. Образцы керамики β-Ga₂O₃ с постростовой высокотемпературной и плазменной обработкой, высоким выходом термолюминесценции и пиком термолюминесценции, расположенным при температуре 120°С, конкурентоспособны по сравнению с представленными на рынке термолюминесцентными детекторами при облучении дозами в диапазоне 0.2–2.5 Гр.

Представлены возможности комплексного исследования объемной структуры полимерного губчатого матрикса на основе полилактида методом рентгеновской микротомографии без контрастирования в сочетании с неинвазивным методом сканирующей импульсной акустической микроскопии и энергодисперсионным рентгеновским микроанализом. Проведены сравнительные исследования чистых образцов матриксов, образцов in vitro в культуральной среде и после их имплантации in vivo. Использование комплекса неинвазивных методов выявило изменения микроструктуры, в том числе процессы деградации матрикса в культуральной среде, после инкубации клетками и имплантации в лабораторное животное.

Показаны недостатки заданий-“стратегий” на съемку дифракционных экспериментов, которые создает программное обеспечение дифрактометров. Причиной этих недостатков является то, что традиционно используемая целевая функция решает ограниченную, локальную задачу, например получения наилучшего покрытия обратного пространства. Предложен подход, который реализует принципы статистической рандомизации эксперимента и позволяет достичь стратегической цели структурного анализа – получения модели, способной отразить тонкие детали атомного строения. Найдено сбалансированное по большинству факторов задание на съемку, которое за меньшее время приводит к получению экспериментальных данных более высокого качества, чем то, что дают традиционные задания. Использование кристалла-эталона, ранее измеренного десятки раз на дифрактометрах по всему миру, показало преимущество экспериментальных данных, получаемых новым способом. Повышение сбалансированности и точности данных дало максимальное улучшение значений критериев уточнения до R1/wR2 = 0.53/0.59% и Δρ = –0.47/+0.30 э/ų. В достижении стратегической цели исследования кристалла-эталона (подтверждение ангармонической модели параметров атомных смещений) можно было убедиться не только по “очищению” разностных синтезов Фурье электронной плотности, что порой визуально и субъективно, но и по статистически безупречному снижению R-факторов уточнения на 30–40 отн. %. Данные такого высокого качества нужны для исследования динамики структурных моделей при внешних воздействиях, для обнаружения и моделирования фазовых переходов, критических точек, био- и химической активности соединений, проверки расчетных методов структур.