Лаборатория «Структурное материаловедение»

Школьная научная лаборатория структурного материаловедения — уникальное место для развития детей, увлекающихся естественно-научными направлениями — физика, химия, биология, инженерия, которая начала функционировать на базе центра развития одарённых детей с первого сентября 2021 года. Идея создании лаборатории и её дальнейшего функционирования разрабатывалась совместно с научно-образовательным центром “Умные материалы и биомедицинские приложения”.

Данная лаборатория позволит школьникам получить углубленные знания в области естественных наук, заниматься структурными исследованиями поверхностей материалов, изучать кристаллическую структуру кристаллических тел. Школьники получат возможность принять участие в настоящих научных исследованиях. 

Если в лабораторию принесут упавший на землю метеорит, то в ней можно будет исследовать то из каких химических элементов он состоит(с помощью метода EDS, установленного на электронном микроскопе), какова его кристаллическая структура (с помощью метода рентгеноструктурного анализа), есть ли в нем сложные органические молекулы(посредством метода рамановской спектроскопии) и есть ли на нем особенные нано-включения, посредством атомно-силовой микроскопии.

Лаборатория “Структурное материаловедения” идеально подходит для школьных научных проектов НТИ и Сириус по направлениям “Новые материалы” и “Нанотехнологии”.

Если ты школьник 8-11 классов и в рамках твоей проектной работы тебе необходимо провести исследование материалов и структур, то лаборатория принимает заявки на исследования по ссылке — https://forms.gle/nEUrJhtyxhUet4ry9. Мы ее рассмотрим и если она составлена согласно требованиями и подходит под специфику лаборатории, то мы пригласим на совместное исследование в лабораторию.

Оборудование:

  1. Сканирующий электронный микроскоп
  2. Рентгеновский дифрактометр
  3. Атомный силовой микроскоп
  4. Конфокальный рамановский микроскоп

1)  Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)

Tabletop Microscope TM4000II

Исследуем с помощью электронов, но образец находится в вакууме.

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) — это тип электронного микроскопа, который создает изображения образца путем сканирования поверхности сфокусированным пучком электронов. Электроны взаимодействуют с атомами в образце, производя различные сигналы, содержащие информацию о топографии поверхности и составе образца. 

Также на сканирующем электронном микроскопе реализован метод EDS — аналитический метод, используемый для элементного анализа или химической характеристики образца. Он основан на анализе энергии эмиссии его рентгеновского спектра, вариант рентгеноспектрального анализа. Его возможности определения хим. элементов обусловлены фундаментальным принципом, согласно которому каждый элемент имеет уникальную атомную структуру, допускающую уникальный набор пиков в его спектре электромагнитного излучения (что является основным принципом спектроскопии). 

Технические характеристики:

  • увеличение: до 100 000;
  • ускоряющее напряжение: 5 кВ, 10кВ, 15 кВ, 20 кВ;
  • способ получения изображений: обратно рассеянные электроны, вторичные электроны, смешанный метод.
  • вакуум: высокий, средний, низкий;
  • источник электронов: вольфрамовая нить.

2)      Рентгеновский дифрактометр

AXRD Benchtop Powder X-Ray Diffractometer

Исследуем с помощью рентгеновских лучей, даже микрокристаллы в жидкости.

Рентгеновская дифрактометрия — это экспериментальный метод, определяющий атомную и молекулярную структуру вещества, в которой кристаллическая структура заставляет луч падающих рентгеновских лучей рассеиваться в определенных направлениях. Измеряя углы и интенсивность этих дифрагированных лучей, специалист может сделать выводы о симметрии кристаллической структуры, расстоянии между атомами, о том как и какие атомы расположены в решетке.

Технические характеристики:

  • геометрия: вертикальная θ/2θ;
  • варианты радиуса гониометра: 143 мм (высокая интенсивность) и 191 мм (высокое разрешение);
  • угловой диапазон: от -4 до 154 2θ;
  • скорость сканирования: от 0,0001 до 100 градусов в минуту;
  • разрешение шага двигателя: 0,0003°;
  • точность <± 0,02 ° 2θ
  • рентгеновская трубка: медная керамическая рентгеновская трубка с тонкой фокусировкой 1500 Вт;
  • мощность источника питания: 600 Вт.

3)  Атомный силовой микроскоп

NTEGRA Academia

Исследуем с помощью кантилевера, “трогая” поверхность.

Атомно-силовая микроскопия основана на реконструкции поверхности с нанометровым разрешением путем регистрации силового взаимодействия между поверхностью исследуемого образца и зондом. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли, называемой кантилевером. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Появление возвышенностей или впадин под остриём приводит к изменению силы, действующей на зонд, а значит, и к изменению величины изгиба кантилевера. Таким образом, регистрируя величину изгиба, можно получить изображение рельефа поверхности. 

Технические характеристики:

  • Тип сканирования —  Сканирование образцом;
  • Наличие специального устройства для создания вольфрамовых зондов методом электрохимического травления, позволяющее самим оттачивать вольфрамовые зонды.;
  • Размер образца — до 40 мм в диаметре,  до 15 мм в высоту;
  • Вес образца — до 100 г;
  • XY позиционирование образца — 5×5 мм;
  • Поле сканирования — 100x100x10 мкм, 3x3x2.6 мкм;
  • Система видеонаблюдения — оптическое разрешение 1 мкмм;
  • Виброизоляция: активная: 0.7 — 1000 Гц; пассивная: >1000 Гц;
  • Уровень шума Z: не более 0.06 нм;
  • Уровень шума XY: не более 0.3 нм.

4)  Конфокальный рамановский микроскоп

Исследуем с помощью лазера, не нужен вакуум.

Рамановская спектроскопия — это метод неразрушающего химического анализа, который предоставляет подробную информацию о химической структуре, фазе и полиморфности, кристалличности и молекулярных взаимодействиях. Он основан на взаимодействии света с химическими связями в материале. Это метод светорассеяния, при котором молекула рассеивает падающий свет от источника лазерного света высокой интенсивности. Большая часть рассеянного света имеет ту же длину волны (или цвет), что и лазерный источник, и не дает полезной информации — это называется рассеянием Рэлея. Однако небольшое количество света (обычно 0,0000001%) рассеивается на разных длинах волн (или цветах), которые зависят от химической структуры анализируемого вещества — это называется рамановским рассеянием.

Рамановский спектр имеет ряд пиков, показывающих интенсивность и положение по длине волны рамановского рассеянного света. Каждый пик соответствует определенному колебанию молекулярной связи, включая отдельные связи, такие как C-C, C = C, N-O, C-H и т. д.,  и группы связей.

Технические характеристики:

  • чувствительность: детектирование Si-пика третьего порядка;
  • спектральное разрешение: < 1.6 см-1/пиксел;
  • диапазон измерения спектра комбинационного рассеяния для лазера 532 нм: в диапазоне от 60 см-1 до 4800 см-1;
  • детектор: 4000 пиксельная ПЗС-матрица с высокой квантовой эффективностью;
  • размером пиксела 7 мкм, обеспечивающая высокое спектральное разрешение;
  • модуль лазерного возбуждения: одномодовый (TEM00) твердотельный лазер 532 нм с минимальной выходной мощностью 45 мВт;
  • пространственное разрешение: латеральное (XY) разрешение <1 мкм, аксиальное (Z)
  • Разрешение <2 мкм;
  • возможность регулирования мощности лазера от 100% до 1% с произвольным шагом.