Что такое кристаллография? «Популярная наука» 15.10.2020 — Популярная наука — 7 канал Красноярск

Что такое кристаллография? «Популярная наука» 15.10.2020


15 октября 2020

Что такое наука кристаллография?

Кристаллография — это наука, изучающая кристалл. То есть из ее название всё определяет. Это всевозможные физические свойства, например, оптические, магнитные свойства этого кристалла. В том числе включая структуру. Атомное строение — то, из каких атомов состоят кристаллы, упорядоченные вещества, и то, как эти атомы окружены другими атомами. Вот как раз эта подчасть кристаллографии называется — структурные исследования. Для этого используется рентгеновское, нейтронное излучения. Соответственно, бывает рентгеноструктурный, нейтронно-графический анализы. Вот эти методы я использую для решения структуры атомарного строения кристаллического вещества.

Какое практическое применение у этой науки?

Практическое применение очень широкое, потому что практически вся техника построена на кристаллах. Телевизор, камера смартфон, какую бы технику вы не взяли, — внутри будут кристаллы, электрические пьезы, либо магнитные датчики или что-то подобное. 80 процентов техники имеет внутри кристаллы с определёнными свойствами. Эти кристаллы были получены естественным образом. Это не природные красивые кристаллы, которые выросли. Например, свет — светодиоды. Сейчас много всевозможных ламп и освещения. Внутри них кристаллы полупроводниковые, которые генерируют свет при приложении к ним электрического тока. То есть очень широкое применение. Самое, наверное, широкое в физике. Можно сказать, что 50% физиков — это материаловеды, которые исследуют кристаллы.

Умеют ли ученые кристаллографы создавать и изменять кристаллы?

У нас в России, как, например, в Японии и в Германии — узкие специалисты. То есть я в своей области занимаюсь, решаю структуру и я совершенно не имею представления, как эти кристаллы получаются химиками. Но естественно, мы работаем с ними в тандеме, потому что они синтезировали вещество, но они не знают, что они получили, какой фазовый состав, сколько одного вещества, сколько второго. Да даже в лекарстве иногда надо узнать, сколько парацетамола или других… В этом во всём помогает рентгено-структурный анализ — фазовый анализ. Марсохода, например. Он ездит на Марсе, сверлит породу, делает из этого порошок. Эти частички — фактически кристаллики. Потом он рентгеновским способом измеряет дифракцию, присылает на Землю, и мы, обрабатывая эти рентгенограммы, получаем информацию, какой состав поверхности Марса. Также можно, например, в глубину Земли на 10 километров пробурить скважину, вытащить оттуда породу и узнать, какой состав этого материала внутри. Там тоже кристаллы в виде порошков.
В периодической таблице можно выделить ряд лантаноидов (например, марганец, висмут). И вот эти элементы, когда мы допируем, то есть добавляем в кристалл. Допирование это когда изымаем из кристалла один атом, а другой нужный помещаем внутрь — химики знают, как это делать: при помощи смешивания порошков, отжига и т. д. Они могут небольшое количество — 0,1-1% атомов таким образом заместить. Эти ионы, попадая в особое окружение, могут люминисцировать то красным, то зелёным, то синим светом. Управляя внешним окружением, фактически матрицей, кристаллическим строением вещества, подбирая кристаллические вещества для данного иона, мы можем добиться различных свечений, различного профиля, высоты, интенсивности, квантового выхода и т. д.

Для чего получают светящиеся кристаллы?

Вы, наверное, ощутили лет 3-5 назад, как мы перешли с ламп накаливания на новые светодиодные. Это, фактически, революция — лампы сменились очень быстро. Почему? Потому что лампы накаливания на каждый затраченный ватт электричества, генерировали мало люмен света, а люминесцентные материалы — люминофоры — можно накачивать ультрафиолетовым или синим светом, генерировать жёлтый спектр. Иттрий-алюминиевый гранат сейчас используется в лампах во всех квартирах — этот люминофор, допированный европием двухвалентным. Если его накачивать синим цветом, он генерирует жёлтое излучение. Синее плюс жёлтое — формируется белый свет. На самом деле мы знаем, что синее плюс желтое — это зеленый. Но там желтый спектр довольно широкий, уходит даже в красную область, и в итоге получается белый свет. Соответственно, это можно использовать в комнатах для освещения нашего. Это одно из применений. Второе применение — для выращивания растений. Я очень удивился, когда посетил Гуанчжоу. Там вкладывают миллиарды долларов в теплицы, хотя температура не падает ниже +4. Можно несколько урожаев собрать, но тем не менее люди вкладываются в теплицы. Зачем? Потому что у них каждый квадратный метр стоит очень дорого. И теплицы делаются вертикальными. А если делается вертикальная теплица, следовательно, света хватает только для верхних рядов, и необходимо эти растения как-то подсвечивать. Соответственно, нужны специальные лампы с особым спектром, потому что лампы дневного освещения, которые используем мы, подстроены под спектральную чувствительность нашего глаза. У растений спектральная чувствительность другая. Они предпочитают красный и синий свет. Зеленый свет ими практически не поглощается, либо очень мало, поэтому мы и видим эти растения зеленого цвета. А красный и синий они поглощают. Соответственно нужны такие эффективные лампы, чтобы каждый Ватт затраченного электричества сгенерировал много света, и этот свет был эффективно поглощен растением для продукции. В России тоже есть вертикальные теплицы. Это может быть полезно для осваивания Арктики. Потому что там килограмм огурцов сколько, 700 рублей стоит? Можно было бы там и выращивать, а для этого необходимы эффективные лампы. Естественно, я уже не говорю о всевозможных гаджетах: смартфоны, светодиоды, экраны, телевизоры, планшеты — это все тоже люминесцентные материалы.

Как ученые подбирают новые материалы для изменения кристаллической структуры?

Ищут эти новые материалы фактически эволюционным способом. То есть, делают какую-то случайную мутацию, какое-то изменение этого кристалла, потом измеряют эти свойства в кристаллах. Селекция: этот хороший, а этот плохой, выбрали. Потом смешали с другими структурами. Еще что-то добавили. Фактически, сейчас поиск таких материалов идет методом перебора. Но я не хочу сказать, что это плохой способ. Потому что при помощи эволюции созданы мы с вами. Природа действует методом эволюции, и мы тоже копируем этот метод. Но можно ускорить этот метод, как мне кажется, привлекая и используя дополнительные инструменты. Например, нейросеть, методы выделения главных компонентов и так далее, которые помогают узнать, какие структурные характеристики наилучшим образом влияют на интенсивность свечения этого люминофора. И соответственно, как только мы узнаем эти характеристики, мы сможем ими управлять. Например, генетики придумали способ, как улучшить человека не эволюционным способом, а подправляя гены. Но им сказали: «Стоп, нельзя». Вот инструмент у них есть, лежит, а они как обиженные дети сидят и смотрят, но не могут им воспользоваться, поиграться. У нас, в этом плане, никаких запретов нет, и мы вольны делать все что хотим, так почему бы это не делать.
В СФУ мы решили запустить такую программу. Не только синтез материалов, под это уже закуплено хорошее, серьезное оборудование. Но и прогноз материалов, теоретический, не методом «тыка» теперь выбирать материалы, а сказать, что если мы это получим, то тогда выход или интенсивность свечения будет очень большой, и тогда мы даем задачу химикам, химики синтезируют, мы получаем обратную связь: получилось или нет. Если не получилось — то почему? Если получилось, то все замечательно, двигаемся дальше. И вот такой проект в рамках программы «Топ 5 100» у нас сейчас запущен и у меня про это исследование называется «полифункциональные материалы». Причем, у меня этот проект разделен на две части…
Этот проект разделен на две части: неорганические и органические материалы. Для неорганических материалов мы ждем высокотемпературные печи, которые требуются для синтеза. В органических материалах у нас уже получен очень классный материал, который еще нигде не засвечен, но статья подготовлена. У него квантовый выход близок к 100%. Что такое квантовый выход? Это значит, что на каждый поглощённый синий свет накачки, он излучает один полезный квант, например, зелёный. То есть практически ничего в тепло не тратит. Прелесть в том, что его можно просто синтезировать механическим синтезом. Не нужна ни печь, ни растворы, ничего. Можно перетереть (смешать) два простых материала, и появится очень хороший люминофор. У нас в СФУ по этой программе успех как раз в области органических материалов. Методом выделения главных компонент мне удалось выделить структурные параметры, которые наилучшим образом влияют на квантовый выход органических веществ. Более того, мы сделали прогноз некоторых соединений, которые, например, должны иметь квантовый выход 40%. Пока надежность плюс-минус 20%, потому что собранная база данных небольшая, мы продолжаем её накапливать. В итоге это вещество было синтезировано в СФУ Николаем Николаевичем Головнёвым, был измерен квантовый выход и он оказался 21%. Это подтвердило наши гипотезы. Следовательно, мы можем не пальцем тыкать в небо, а говорить целенаправленно. Это уже осознанный подход, а не эволюционный. Я определил, что если некоторые структурные параметры (например, расстояние между атомами, какой-либо угол) будут определенного значения, значит, будет и интенсивное свечение. Как найти такую структуру? Существует органическая структурная база данных, которая содержит около миллиона структур. Есть неорганическая база данных, в ней около 600 тысяч структур. Они депонированы, то есть, со всего мира скапливаются эти структуры. И у нас такая база существует, она платная. В этой базе можно задать эти структурные характеристики: «подбери мне, пожалуйста, соединения, которые содержат такой угол и такое расстояние», и она из известных соединений может это подобрать. Мы нашли одно из таких соединений, квантовый выход которого 40%. Это работа последних двух-трёх недель, то, что я успел насобирать. Сейчас студентам СФУ поставлена задача: провести поиск в этой базе более тщательно, не так поверхностно, как я это сделал. Возможно, мы выявим вещества с очень хорошим квантовым выходом. Если такое получится, мы синтезируем и у нас это повторится, то будет еще одна статья с высоким рейтингом.

Как учёные определяют структуру кристалла?

Каждый электрон, протон, заряженная частица в атоме кристалла начинает колебаться, когда на него попадает рентгеновское излучение (фактически свет, переменно-электромагнитная волна). Движущийся заряд переизлучает во все стороны это же рентгеновское излучение, мы сейчас не рассматриваем аномальное поглощение. Эта переизлучённая волна от каждого электрона и атома суммируется дальше в пространстве. Причем в определённых направлениях волны складываются, приводя к максимуму интенсивности, а других — они гасятся, приводя к тёмному фону. В итоге, если мы рентген посветили на кристалл, то дифракционная картина будет выглядеть как звёздное небо. Мы можем определить по положению этих точек, какова геометрия кристаллической ячейки. Восстановить то, из каких атомов состоит кристалл, и как они распложены в ячейке, мы можем по интенсивности этих пятен. Ячейка в кристалле транслируется вдоль трёх параметров, формируя весь кристалл. Фактически, нам достаточно определить структуру одной элементарной ячейки. Так определяется структура из монокристалла, когда у нас монокристалличный образец. Если мы его разобьём и перетрём, то получится порошок. Это миллиарды и миллиарды маленьких монокристалликов. Из них тоже можно извлекать структуру, но эта информация получается скуднее, чем из монокристаллов, потому что рефлексы размазываются не в пятна, а в кольца. Более того, некоторые пятна накладываются друг на друга. Это очень сложная задача — решить структуру из порошка. Людей, которые этим занимаются, очень мало в мире. За попытки решить структуру, например, лекарственных соединений платятся очень большие гонорары. 20-30 тысяч евро. Потому что лекарство синтезировали, испытали на мышках — оно полезное, хорошее, но в чем его сила? Надо его охарактеризовать. Лекарства редко получаются в виде монокристаллов, чаще всего — порошок.
В кристалле есть несколько атомов, которые могут быть замещены нужным ионом, который люминисцирует. Важно узнать, в какую позицию он сел, а сделать это из порошка очень сложно, даже из монокристалла сложно. Я придумал инструмент, при помощи которого это можно делать.

Какое будущее у люминофоров?

Я думаю самое широчайшее. Грубо говоря, мы с вами едим свет. Понимаете, да? Мы едим растения и животных, животные едят животных и растения, а те животные едят только растения. То есть фактически, если развязать эту пирамиду, мы сваливаемся к растениям. А растения потребляют углекислый газ, воду и используют энергию Солнца, то есть энергию света, чтобы синтезировать питательные материалы. И мы уже по пищевой цепочке накапливаем все полезные вещества. Соответственно, все питание упирается в свет, и мы очень сильно зависим от света, от энергии. Лет через 20 создадут термоядерный реактор, энергии будет навалом. Но ведь эту энергию мы не умеем потреблять, мы умеем потреблять только через пирамиду питания. А проблема питания сейчас стоит глобально, потому что, если смотреть на графики, численность человечества постоянно растет. Соответственно, раз идёт рост, необходимо выращивать растения и даже энергию от термоядерного реактора им нужно как-то передать. Растение нельзя воткнуть в розетку — оно не умеет преобразовывать электрическую энергию, магнитные поля, только свет. Для существования нам нужны воздух, вода и питание, а оно требует света.
Поэтому любые замкнутые системы нуждаются в свете, например, на Марсе, на Луне, где недостаточно солнечного света. На Луне, скорее всего, нужно будет прятаться от радиации, потому что нет атмосферы и защищающего озонового слоя. Соответственно, придется жить в потёмках — необходим свет. На Марсе тоже необходим свет, потому что он находится очень далеко от Солнца. Если будет какая-то необходимость уйти под воду — какой-то катаклизм, человечество сможет выжить, но, опять же, на глубине 10 метров ничего не видно — необходим свет. Куда ни ткнуться, везде нужен свет. Даже если взять города, которые находятся в тропиках, субтропиках — там строятся вертикальные теплицы и для них необходим свет. Ну и, как минимум, освещение комнат — нам тоже это необходимо. Поэтому люминофоры будут развиваться очень интенсивно. Теоретический предел люмен на каждый потребленный ватт ещё не достигнут. Он сейчас составляет что-то около 200-250 Лм/Вт в полупроводниковых диодах, а теоретически — 600-650 Лм/Вт — ещё расти и расти. Более того, это только светодиоды, которые дают узкое излучение, например, ультрафиолетовое, голубое. Но если мы подсветим эту комнату синим светом, мы долго в ней жить не сможем, как и растения. Технологически сейчас дёшево получать голубые люминофоры (излучающие голубой свет), а красные уже в три раза дороже. Ультрафиолетовые могут быть в 30 раз дороже. Наша задача — создать такой материал, который поглощал бы синее излучение и преобразовывал во все возможные цвета, как видимые так и невидимые (например, инфракрасное излучение, необходимое для растений).
Сейчас в Китае новый тренд — инфракрасные сканеры, которые просвечивают руку, затемняя вены. Это используется как штрих-код вместо банковской карточки. Везде можно просто приложить руку и оплатить.
Сейчас мы подали в РНФ новый проект СФУ и университета Гуанчжоу, преобразование голубого света в инфракрасный. Пока не знаю выиграем или нет — посмотрим.