• Русский

Ученые КФУ исследуют состояние катализаторов с помощью гамма-резонанса

За основу научного исследования был взят эффект Мёссбауэра.

Любой прорыв в физике требует от современных ученых серьезных знаний и навыков, чтобы успешно использовать их  в современных практических приложениях. Многие прорывные открытия были выведены, что называется, на кончике пера: сначала их рассматривали теоретически и только потом обнаружили на практике.  Не составили исключения и явления, которые привели к созданию уникальных методов исследования. Ученые Казанского федерального университета, рассматривая объекты в масштабах атома и ядер, сумели увидеть потенциал квантовых эффектов и разработать метод, позволяющей определять амплитуду смещения ядер с пикометровой точностью.   Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Американского физического общества   Physical Review B .
У микромира работают свои законы, и подчиняются они законам квантовой физики, определяющие взаимодействия между квантами. За основу проведенного исследования был взят эффект Мёссбауэра, т.е. явление резонансного поглощения или рассеяния фотонов в квантовых системах. Напомним, Рудольф Людвиг Мёссбауэр стал первым учёным, предложившим и экспериментально продемонстрировавшим гамма-резонанс без потери энергии фотонов на отдачу в твердых телах. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии в 1961 году

В проведенной учеными КФУ работе использовалось железо.  Как известно, наиболее популярными гамма-резонансными ядрами являются ядра атомов железа, олова и европия. Они выступают в качестве меток, с помощью которых можно получить необходимую информацию о физико-химических свойствах новых материалов или соединений, об особенностях химической связи и фононного спектра, симметрии локального электронного окружения резонансных ядер.  Выбранный метод помогает получить информацию о состоянии атомов железа, от которой зависят функциональные характеристики изучаемых объектов .

«Наши исследования помогают понять, в каких валентных состояниях, и в каком электронном окружении находятся резонансные ядра элементов, определяющие, например,  эффективность катализаторов – важных компонентов,  используемых в нефтегазовых технологиях. В нашей лаборатории сотрудники «Эконефть» проводят исследования фазового состава синтезируемых  ими образцов»,  – рассказал о целях исследования группы «Мёссбауэровская спектроскопия» её руководитель Фарит Вагизов , в рамках работы НИЛ «Реологические и термохимические исследования».

Другими словами, данная научно-исследовательская лаборатория проводит для химиков, физиков и геологов Казанского федерального университета целенаправленные исследования  сверхтонкой микроструктуры различных перспективных соединений и материалов в целях улучшения их функциональных свойств и повышения  эффективности при использовании как в нефтегазовых технологиях, так и в нефтеперерабатывающей промышленности.

Стоит отметить, что лабораторий, занимающихся мёссбауэровской спектроскопией  в России, единицы. Казанский федеральный университет является одним из немногих высших учебных заведений, которому удалось сохранить возможность проводить гамма-резонансные исследования. Многочисленные научные центры, в силу различных обстоятельств потерявшие возможность его использовать,  регулярно обращаются в КФУ. Как отмечают ученые, метод Мёссбауэра необходимо  использовать комплексно с другими методами экспериментального исследования и, конечно же, «приумножить», получая из него всё, что возможно, поскольку потенциал этого метода еще не исчерпан. Тем более, что на сегодняшний день он является одним из рекордсменов по энергетическому разрешению

Весьма символично, что Казанский федеральный университет продолжает традиции резонансных исследований,  ведь Казань по праву  считается родиной резонансных методов. Напомним, именно казанский физик  Евгений Завойский известен как первооткрыватель нового фундаментального явления — электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), именно в Казани были сделаны основополагающие работ по ЯМР, ЯКР и др. Каждый резонансный метод имеет свою разрешающую способность. Чем же обусловлено высокое спектральное разрешение гамма-резонанса?

 «Разрешающая способность метода определяется отношением ширины линии к  энергии квантового перехода . Для ядер Fe-57 это отношение примерно равно 10-12. Есть и другие мёссбауэровские ядра, например, для ядер Zn-67 разрешающая способность уже порядка  10-15.  Это означает, что энергии переходов мы можем измерять с точностью 10-13 %.  Чтобы представить такую точность приведу одну цифру. Если бы мы с такой точностью измеряли ближайшее расстояние между Луной и Землей (357210 км), то  ошибка измерения составляла бы всего 36 микрон, то есть меньше, чем толщина человеческого волоса. Такая рекордно высокая разрешающая способность гамма-резонанса позволяет выявить даже крошечные изменения в локальном окружении резонансного ядра. Поэтому гамма-резонанс незаменим при фазовом анализе железосодержащих соединений и материалов», – объяснил преимущества метода Фарит Вагизов.

Интересно узнать,  если ли другие преимущества гамма резонанса по сравнению с классическими экспериментальными методами, используемые при создании перспективных соединений, например, при разработке новых катализаторов?  Как известно, рентгеноструктурный анализ широко используется при  фазовом анализе.

«Да, вы правы. Рентгеновская дифракция один из мощнейших методов изучения структуры и фазового  состава объемных материалов. Но, когда мы идем от крупных частиц к мелким, т.е. к частицам нанометрового размера, рентгеновская дифракция начинает уступать свои позиции.  По мере уменьшения размера частиц дифракционные пики начинают уширяться и уменьшаться в амплитуде, что приводит к полной потере информативности для структурного анализа наночастиц.   В катализаторах это очень важно. Чем меньше частица, тем больше у него поверхность, и тем больше скорость реакции. Гамма-резонанс дает полезную информацию даже в случае, когда исследуемый объект является рентгеноаморфным», – отмечает профессор.

Возвращаясь к «приумножению» потенциала гамма-резонанса, следует отметить,  что уже сегодня ученые КФУ смогли экспериментально показать возможность измерения амплитуды смещений с точностью в несколько пикометров. В основе этой разработки лежит эффект квантовой интерференции между волновыми пакетами падающего и рассеянного вперед резонансного мёссбауэровского излучения. Разработанный метод может быть использован для калибровки туннельных микроскопов и создания стандартов механических смещений.  Эта работа проводилась совместно c Казанским физико-техническим институтом. Полученные результаты исследования вошли в перечень важнейших достижений как в Институте физики КФУ, так и в Казанском физико-техническом институте  Российской Академии наук.