Считается, что первые микроскопы изобрели в XVII веке. Тогда они представляли собой незамысловатую систему линз, которая только намекала на присутствие микромира. Теперь гонка пространственных разрешений позволяет исследователям рассматривать сами атомы. Помимо созерцательного опыта это помогает в создании новых материалов, например металлоорганических каркасов (MOF) — соединений, состоящих из органических лигандов и ионов металлов. Интерес к ним связан с широкими возможностями для программирования на молекулярном уровне. Но структура MOF нестабильна и может нарушаться даже самим фактом наблюдения.
О том, как с этим справилась просвечивающая электронная микроскопия (TEM), мы поговорили с ведущим ученым лаборатории Core Lab Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST) Сергеем Лопатиным.
Как вы устроились в Core Lab и по какому принципу выбрали направление научной деятельности?
Я окончил Белорусский государственный университет и стал физиком. Классическая, еще советских времен, система обучения заставляла сильно напрягать мозги, закладывала фундаментальную научную базу и общее мировоззрение. Причем натаскивали нас не только по физике, но и, разумеется, по математике, формируя аналитическое мышление, умение найти общий подход к решению задач и математически грамотно его описать.
Несмотря на значимость, я воспринимал физфак как трамплин, не конечную цель. Поэтому, когда нашел возможность продолжить образование — уже в Штатах, — долго не раздумывал. Когда приехал в Америку, выяснилось, что, с точки зрения карьеры, гораздо выгоднее быть не просто ученым, а инженером. Дело в том, что дипломированный инженер имеет минимум два пути развития: он может реализоваться в промышленности, где выше зарплата, а может пойти по академическому пути, где, как правило, интереснее. У ученого путь обычно один — в «академию». В Америке я переключился на материаловедение и инженерию, с физикой где-то перекликается.
Американская система образования сильно отличается от советской и ориентирована в первую очередь на быстрое решение конкретных задач. Пришлось перестраиваться, хотя после физфака это несложно. На то, чтобы получить степень Doctor of Philosophy (она требует куда большей подготовки, чем «кандидат наук»: мне есть с чем сравнить — белорусскую аспирантуру я тоже окончил), ушло примерно 2,5 года. За это время я поработал в Национальной лаборатории в Окридже в качестве приглашенного материаловеда. Там изучал возможности просвечивающего электронного микроскопа для характеризации современных электронных материалов.
Сергей Лопатин / ©Вероника Лопатина
После этого перешел в группу электронной микроскопии в Национальной лаборатории в Беркли (академический путь), где как раз началась разработка электронного микроскопа с субангстремным разрешением. Там меня пригласили в компанию FEI — с недавних пор Thermo Fisher. Это один из мировых лидеров в области производства просвечивающих микроскопов. Работая в FEI (промышленный путь), я участвовал в установке и запуске сразу нескольких, на тот момент самых передовых, электронных микроскопов для лаборатории KAUST. Позднее еще не раз посещал эту лабораторию для обучения персонала. Поэтому, когда меня пригласили поработать в Core Lab ведущим микроскопистом, выбор был естественным.
Чем TEM отличается от других техник? Например, от атомно-силовой микроскопии?
По большому счету, TEM — реинкарнация театра теней. Только вместо бумажных фигур — микро- и нанообъекты, а роль источника света играет когерентный (однородный в пространстве и времени) поток электронов высоких энергий. В остальном почти то же: мы смотрим на микро- или нанообъекты и оцениваем их по тени, которую они отбрасывают. Функцию стены выполняют флуоресцентный экран, фотопленка или, все чаще, CCD-камеры (примерно такие же, как в цифровых фотоаппаратах). Могут быть и другие детекторы.
В классическом варианте TEM реализуется по схеме «вертикальная труба с ручками». Из трубы откачивается воздух, сверху ставится электронная пушка, которая «стреляет» электронами вдоль трубы. В середину трубы вставляется исследуемый материал, под него — детектор электронов. Есть и схема-перевертыш: пушка прикручена снизу, а детектор сверху. Таких микроскопов немного, но они одни из лучших.
Это в общем. На практике возникают нюансы. Во-первых, чтобы сгенерировать когерентный поток электронов, летящих на большой и стабильной (с разбросом не более 0,0003 процента) скорости, нужно высокоточное оборудование. Большинство существующих микроскопов ускоряют электроны до 300 киловольт (около 80 процентов скорости света). Между тем когда-то, до появления смартфонов, были системы, ускоряющие частицы до рекордных 1,5 мегавольта (97 процентов скорости света). Вторая особенность заключается в том, что электроны хорошо поглощаются в воздухе. Чтобы долетать до образца, им нужен вакуум. Поэтому TEM еще и вакуумное оборудование, которое требует немало энергии и нагревается. Это предполагает эксплуатацию систем охлаждения. В-третьих, изучаемый объект должен быть полупрозрачным для электронов — только тогда можно установить не только его форму по силуэту тени, но и внутреннюю структуру. Последнее условие накладывает ограничение на толщину образца — как правило, от 10 до 100 нанометров. При этом материал «просвечивается» целиком. Возможность рассмотреть все «внутренности» отличает просвечивающую микроскопию от атомно-силовой, в которой изучается лишь поверхность.
Топологическая модель и изображение кристаллической решетки металлоорганического каркаса ZIF-8, полученное с помощью микроскопа Titan 80–300 / ©Yihan Zhu et al., Nature Materials, 2016
Наконец, микроскоп в TEM должен быть тщательно изолирован: на результат влияют вибрации, акустика, электромагнитные помехи, даже колебания температуры воздуха свыше 0,5 градуса Цельсия. Когда речь идет об ангстремных масштабах, значение имеют малейшие детали.
Один из микроскопов, с которым мне довелось работать в Мумбае, не имел должной изоляции и находился всего в 300 метрах от Индийского океана. По картинкам с этого микроскопа я мог безошибочно определять начало прибоя. Обратный пример — немецкая лаборатория Jülich Forschungszentrum, которая расположена в районе активной добычи угля. Ежесуточно 100-метровые комбайны вгрызаются в горную породу и распространяют вибрацию на десятки километров вокруг. Для человека такая вибрация незаметна, но не для электронного микроскопа. Поэтому там строят отдельные здания со сверхстабильной температурой и «глушилкой» сотовой связи, а сами микроскопы ставят на огромные бетонные блоки, подвешенные на воздушных подушках. В таких местах начинается магия: мы видим атомы, разделенные всего половиной ангстрема.
Стоимость систем TEM, особенно модификаций с субангстремным разрешением, и их обслуживание достигают заоблачных высот. Только цена на микроскоп может составлять несколько миллионов долларов. При этом сфера приложений технологии широка: везде, где нужно узнать внутреннюю структуру, вплоть до атомарных уровней. То есть это и биология — изучение строения клеток, вирусов, белков, ДНК; и вся электронная промышленность; и нефтегазохимическая промышленность — огромный пласт исследований, связанных с разработкой и анализом катализаторов.
В 2016 году KAUST вместе с другими учеными нашел способ «просвечивать» MOF, не разрушая их. Как это работает? Ваша лаборатория использует TEM только для изучения MOF?
Наша лаборатория достаточно универсальна и может охватить большинство упомянутых ранее направлений и многие другие. MOF — один из «модных» в наши дни материалов. Весь мир сейчас активно изучает металлоорганические каркасы. Естественно, KAUST не остается в стороне.
Основная сложность в изучении MOF заключена в названии. В их структуре есть органика, которая очень не любит электронное облучение. Под его действием MOF легко разрушаются. Работать приходится не просто быстро, а мгновенно. Поэтому при «просвечивании» металлоорганических каркасов с помощью ТЕМ необходимо ограничивать количество электронов, попадающих на образец. Нужно оперативно и почти вслепую (без облучения) найти на его поверхности подходящее место, правильно его ориентировать и записать картинку, на которой почти ничего не видно. Затем из «почти ничего» восстановить структуру. В этом суть методики «малых доз», описанная в статье. Без высокочувствительных цифровых фотокамер, которые могут фиксировать пролет одного единственного электрона, не обойтись. Такие камеры у нас недавно появились.
В Core Lab представлено почти все многообразие техник микроскопии. Хотя метод дифференциального фазового контраста (DPC) до недавнего времени отсутствовал, он хорошо известен. Если в изучаемом образце присутствует внутреннее магнитное или электрическое поле, то, по сравнению с образцом без поля, «просвечивающие» электроны будут слегка менять свою траекторию. Для регистрации отклонения нужно несколько детекторов (минимум четыре), расположенных так, чтобы электроны, отклоненные магнитным или электрическим полем образца попадали в основном только на один детектор. Тогда сравнение сигнала с другими детекторами позволит не только визуализировать, но и измерить магнитное или электрическое поле. На практике используют не четыре самостоятельных детектора, а один сегментированный, и показания каждого фиксируются отдельно. Концепция простая и работает замечательно. Одно но: на большинстве и старых, и даже современных TEM таких сегментированных детекторов нет. Или нет программного обеспечения для регистрации четырех отдельных сигналов.
Пример реализации и результат DPC на просвечивающем растровом электронном микроскопе (STEM) JEM-2100F / ©Naoya Shibata et al., Nature Physics, 2012
С тех пор, как я увлекся микроскопией, мне довелось «крутить ручки» на многих TEM, сотнях двух, может, трех. Метод DPC работал только на одном. Не был он доспупен и в KAUST. После начала работы в Core Lab я показал, что DPC можно реализовать на любом TEM, в котором есть хотя бы один стандартный детектор, без дополнительной модификации. Сейчас мы активно используем предложенный мной подход для изучения магнитных образцов, в частности наноразмерных Ni/Co-проволок, контролируемое движение магнитных доменных стенок в которых позволяет превратить их в носители информации.
Недавно химикам удалось напрямую измерить прочность связей между отдельными атомами водорода. Они использовали атомно-силовой микроскоп. TEM так может?
Нет, перед ТЕМ ставят другие задачи. А именно: структура материала, свойства, зарядовые состояния, электрическая активность отдельных атомов или дефектов кристаллической решетки внутри материала и так далее.
Расскажите про Titan Themis Z. Если я правильно понял, речь идет о разработке программного обеспечения?
Скорее, аппаратного. Просвечивающий микроскоп Titan — это продукт FEI, появился он 12–13 лет назад. По сути, это платформа, на базе которой можно строить различные более узкоспециализированные или универсальные системы. Вспомним схему «вертикальной трубы»: в случае Titan, если трубу охладить до температуры жидкого азота (–195,75 градуса Цельсия), получится Titan Krios — TEM для изучения биоматериала. Шоковая заморозка во льду помогает органике дольше сохранять структуру под электронным пучком. На такие микроскопы сейчас настоящий бум.
Если к вакууму в трубе добавить немного газа, получится Titan ETEM (Environmental). Он позволяет наблюдать химические процессы в режиме реального времени. А если взять высшую модификацию этой трубы со сверхстабильной электронной пушкой, корректорами сферических аберраций, оснастить ее детектором рентгеновского излучения (электроны, пролетая через образец, генерируют его в огромном количестве), прикрутить снизу спектрометр потерь энергии электронов и поместить всю конструкцию в изолирующий ящик, получится Titan Themis Z. Z означает атомное число. Его польза в том, что с дополнительными детекторами мы можем не просто получить черно-белую картинку, на которой яркие точки соответствуют атомам, но и «раскрасить» ее. Для каждого атома установить тип, нередко — описать электронные свойства материала, например диэлектрик он или проводник.
Модификация Themis Z была представлена в прошлом году. KAUST приобрел ее первым в мире, дополнив линейку из пяти Titan TEM прошлого поколения шестым. Сейчас KAUST — единственное место с таким количеством high-end просвечивающих микроскопов.
Сергей Лопатин / ©Вероника Лопатина
Themis Z уже помог получить какие-то результаты?
Результаты есть, но публикации только планируются. Микроскоп пока на стадии запуска в эксплуатацию.
KAUST широко сотрудничает с другими исследовательскими группами. А с российскими коллегами, партнерами?
Работая в FEI, я побывал во многих организациях — в рамках тонкой наладки оборудования, совместных экспериментов, обучения, лекций. Приезжал и в Россию: в Новосибирск, Екатеринбург, Санкт-Петербург, Москву. Местные научные центры обладают достаточно продвинутыми исследовательскими группами. Отдельно отмечу Курчатовский институт и лабораторию Александра Васильева, где установлено сразу два Titan TEM, в том числе Krios (а у соседей, через дорогу, — еще один Titan). C ребятами из этой группы я до сих пор поддерживаю тесный контакт.
Многие российские ученые, с которыми я сотрудничаю, разбросаны по миру. Например, научный центр NanoGune в Стране Басков, в Испании: с руководителем его TEM-отделения, профессором Андреем Чувилиным, я работаю уже более десяти лет. Результатом нашей дружбы становятся не только публикации, но и разработки в области TEM-методик или «навесного» оборудования. Один из примеров — монохроматор для электронной пушки, который позволяет повысить качество и разрешение спектроскопии электронных потерь, открывая доступ к изучению низкоэнергетических квазичастиц: экситонов, плазмонов, фононов.
Монохроматор — прибор не новый. Но недавно мы продемонстрировали, что он может обеспечивать энергетическое разрешение почти в десять раз выше заявленного производителем (соответствующая заметка появится в Nature Communication в ближайшее время). Помимо изучения квазичастиц открытие позволяет, например, измерять ширину запрещенной зоны — одну из ключевых характеристик полупроводников — с чрезвычайной точностью. И благодаря TEM в этом случае достигается пространственное разрешение, не доступное другим методам.
