Знакомя читателей Еженедельника ОИЯИ с оборудованием Лаборатории нейтронной физики, дополняющим нейтронные исследования, журналисты уже рассказали о рентгеновском дифрактометре (№14 еженедельника) и атомно-силовом микроскопе (№23-24). Сегодня речь пойдет о спектрометре рамановского рассеяния.

Вот как охарактеризовал установку начальник научно-экспериментального отдела нейтронных исследований конденсированных сред ЛНФ Д. П. Козленко:

— Отдельно среди того оборудования, которое мы в последние годы приобрели для комплементарных исследований, можно выделить спектрометр рамановского рассеяния. Рамановская спектроскопия — это оптический метод исследования динамических свойств вещества — колебательных спектров молекул и атомов, взаимодополняющий неупругое рассеяние нейтронов. Следует отметить, что с помощью рамановской спектроскопии можно регистрировать не все колебательные моды объекта исследований, а только те, которые разрешены по правилам отбора. В отличие от этого метода, неупругое рассеяние нейтронов «видит» все колебательные моды вещества. Тем не менее, характерные времена измерения рамановских спектров значительно меньше, а разрешение спектров значительно выше, по сравнению с неупругим рассеянием нейтронов. Это позволяет получить информацию о частотах ряда колебательных мод за короткое время и учитывать ее при проведении нейтронных экспериментов.

Сочетание экспериментальных данных, полученных с помощью рамановской спектроскопии и неупругого рассеяния нейтронов, значительно упрощает анализ экспериментальных данных, для чего, как правило, используются методы квантово-химических расчетов из первых принципов. Это особенно важно в свете того, что в последнее время диапазон наших исследований сместился в сторону довольно сложных веществ. Это различного рода молекулярные кристаллы, которые используются в разнообразных технологиях; фармакологические вещества, имеющие, как правило, очень сложную структуру. В этом случае сочетание методов значительно упрощает анализ экспериментальной информации и позволяет повысить однозначность ее интерпретации.

С работой сектора и новым оборудованием в недавно отремонтированном помещении нас знакомит Надежда Махмудовна Белозерова:

— С самого начала Анджей Павлюкойч и его польские коллеги создали химическую лабораторию, в которой производится синтез новых материалов. Следующим шагом был ремонт помещения, в которым установлено много нового оборудования — исследовательского и вспомогательного, и все оно уже функционирует. У нас есть еще одно помещение, там планируются рабочие места и комната отдыха сотрудников.

Наш прибор предназначен для широкого спектра исследований. Мы можем изучать колебательные спектры химических соединений, видеть колебания, связанные с различными межатомными связями, можно изучать различные полиморфы соединений, в минералах выделить различные фазы по характерным частотам колебательных мод. Образцы к нам поступают самые разнообразные: мы работаем в коллаборации с группами в разных странах, не только с Польшей, сотрудничаем с российскими учеными, в том числе с археологами. От них поступают разные любопытные образцы: старинные вазы, осколки посуды, другие предметы. Мы анализируем состав этих образцов с помощью анализа спектров рамановского рассеяния, сравниваем предметы, найденные на побережье и в глубине материка. Сравниваем наружную и внутреннюю поверхности посуды на предмет обнаружения окаменевших остатков какого-то содержимого.

Однажды нам привезли древнюю амулетницу, которую не могли открыть, но в ней явно что-то было — небольшое отверстие позволяло это видеть. Лабораторный томограф не показал наличие какого-то содержимого, то есть для нейтронов вещество было прозрачным, а лазеру нашего спектрометра имевшегося отверстия для анализа оказалось достаточно. Вообще, по литературным источникам, в амулетницах могли храниться крупы, куски пергамента, в нашей оказалась сера.

Была у нас и такая задача: сделать анализ клея на старинной чаше, чтобы понять, кто ее склеил — древние люди или наши современники. Мы сняли клей со швов, сделали его анализ, потом проанализировали несколько современных клеев, и спектры оказались разными, то есть чашу склеили достаточно давно.

— Это настоящее детективное расследование…

— Да, чем мне интересна наша работа — можно не только получить какой-то научный результат, но и подержать в руках, например, предмет IV века до нашей эры. Это впечатляет!

Недавно нам привезли кусок Челябинского метеорита, стояла задача выделить минеральные фазы. Обычный на вид камешек прилетел к нам из космоса и, согласитесь, интересно узнать, из чего он состоит? С помощью рамановского спектрометра мы выделили минеральные фазы, нашли определенные соответствия с известными спектрами, была подготовлена научная публикация. Сами мы результаты исследований публикуем не всегда, иногда они составляют лишь часть большого анализа, тогда мы передаем свои результаты коллегам, приславшим образец.

— Вашу установку используют пользователи ИБР-2 для предварительного анализа образцов?

— Не всегда, иногда к нам приходят после исследований на реакторе, если они не дали желаемого результата. Эти исследования дополняют друг друга, я бы не сказала, что они — замещающие.

Еще мы проводим исследования фармацевтических образцов, они составляют, примерно, половину всех работ. Это самые разнообразные препараты, находящиеся на стадии разработки. Важно определить, каким способом лекарство будет доставляться в организм — капсулами, таблетками, оно может быть жидким. При таблетировании используется высокое давление, значит, свойства химического соединения могут измениться, а будущее лекарство — стать просто бесполезным, а иногда и вредным для здоровья. У нас есть камера высокого давления, куда мы помещаем образец, сдавливаем и проверяем, что с ним произошло. Многие лекарства имеют множество полиморфных форм, их свойства могут значительно меняться, и важно понять, насколько.

А недавно мы исследовали ракушки, переданные румынскими коллегами: их подняли из разных частей Черного моря, и по их составу можно определить уровень солености моря.

— Вы планируете добавить к спектрометру еще и рефрижератор…

Камера высокого давления с алмазными наковальнями для создания высокого давления на образце

— Тогда у нас появятся низкие температуры, их диапазон изменится от гелиевых — до комнатной. С рефрижератором мы сможем также смотреть на переходы в фармацевтических соединениях, он оборудован камерой высокого давления, она немного отличается от той, что стоит на самом рамановском спектрометре. На спектрометре мы вручную меняем давление, в рефрижераторе оно будет меняться автоматически с помощью гелия. Станет возможным исследование одновременно при низких температурах и высоком давлении — комплексный метод, имеющий свои преимущества.

— Наладкой рефрижератора, вы рассказывали, занимается ваш инженер, а как велик коллектив сектора?

— Да, нашим рефрижератором занимается Евгений Лукин, задачи нам ставит начальник отдела Д. П. Козленко, он большой специалист в исследованиях с высокими давлениями. Он нам всегда дает советы, разрабатывает план исследований, а вообще у нас большая группа, я занимаюсь измерениями и их обработкой, коллеги помогают с интерпретацией.

Анджей Павлюкойч также занимается измерениями образцов для польской группы:

— На рамановском спектрометре коллеги из Польши занимаются исследованием динамических свойств новых материалов, синтезируемых в нашей лаборатории. Исследуются молекулярные комплексы с переносом электрического заряда, комплексы с переносом протона, создающие сильные водородные связи. В последнее время мы стали синтезировать и исследовать новые металлорганические каркасные структуры, которые рассматриваются как перспективные материалы для хранения водорода или метана и улавливания CO₂. Наша коллега Ига Зуба синтезирует и исследует, в том числе и на рамановском спектрометре, новые магнитные сорбенты, предназначенные для сорбции радионуклидов. Летом в лаборатории были проведены студенческие практики, где пятеро студентов из Польши под руководством научных сотрудников проводили исследования, в том числе и на рамановском спектрометре.

Группа сотрудников из Азербайджана и Румынии на нашем спектрометре исследует влияние гамма-излучения на структурные изменения и морфологию нанокомпозитных полимеров (HDPE±%ZrO₂). Коллеги из Монголии изучают модифицированные полианилином композиты оксида (PANI/GO), которые имеют потенциальное применение как сорбенты тяжелых металлов.

В ближайшее время спектрометр будет снабжен новым температурным столиком образца, который даст возможность проводить измерения в температурном диапазоне от -196°C до 600°C. Благодаря этому появится возможность исследовать фазовые переходы в материалах при высоких температурах.

* * *

Из истории явления. Первым комбинационное рассеяние света предсказал Адольф Смекал в 1923 г., затем последовали теоретические работы Крамерса, Гейзенберга, Дирака, Шрёдингера и других. В 1918 г. Л. И. Мандельштам предсказал расщепление линии рэлеевского рассеяния вследствие рассеяния света на тепловых акустических волнах. Начиная с 1926 г., Мандельштам и Ландсберг развернули в МГУ экспериментальное изучение молекулярного рассеяния света в кристаллах. В результате этих исследований, 21 февраля 1928 г. Ландсберг и Мандельштам обнаружили эффект комбинационного рассеяния света. О своем открытии они сообщили на коллоквиуме от 27 апреля 1928 г. и опубликовали соответствующие научные результаты в советском и двух немецких журналах.

В 1921 г. в университете Калькутты индийскими физиками Раманом и Сешагири Рао были обнаружены особенности в поляризации рассеянного дистиллированной водой света при наличии светофильтров в канале детектирования. В 1923 году Раманом было показано, что особенности поляризации связаны с присутствием в среде некого дополнительного свечения с длиной волны, заметно отличающейся от длины волны падающего излучения. Несмотря на то, что советские физики проводили свои исследования по рассеянию света с 1918 г и абсолютно независимо от Рамана, Нобелевская премия по физике 1930 года была присуждена лишь Раману «за его работы по рассеянию света и за открытие эффекта, названного по его имени».

Ольга Тарантина, Еженедельник ОИЯИ
фото Елены Пузыниной