Со скоростью света. Первые исследования выращенных в Апатитах кристаллов на источнике синхротронного излучения

Младший научный сотрудник Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Диана Мануковская стала первым представителем Кольского научного центра РАН, который самостоятельно провел серию экспериментов на синхротронном источнике излучения. Как так получилось? Возможно, везение. Но скорее, сочетание давнего сотрудничества научных организаций и умения «видеть момент» их сотрудников.

История началась в Дальневосточном федеральном университете во Владивостоке, где Диана Владимировна успешно защитила кандидатскую диссертацию. Коллеги, проводящие исследования с применением высокотехнологичного оборудования класса «Мегасайенс», подсказали: в задачах, которые она решает, очень поможет работа на синхротроне.

– Взяла с собой пять образцов ниобата лития из родной лаборатории, просто на всякий случай, – вспоминает исследовательница. – Показала коллегам. В какой-то момент стало понятно, что хорошо бы исследовать кристаллы на пучке синхротрона. Я уже была готова отдать кристаллы им, но тут всплыли нюансы. Кристалл полярный, структура сложная. Они смотрят на меня и говорят: «Едешь с нами. Только ты сможешь объяснить операторам, что это за материал и как он растет».

Четыре года назад ДВФУ и Кольский научный центр РАН подписали соглашение о научно-техническом сотрудничестве. За это время партнеры провели совместные исследования по созданию литийпроводящей керамики, изучению высокотемпературных материалов и разработке природоподобных сорбентов, а директор ИХТРЭМС КНЦ РАН, академик РАН Иван Тананаев участвовал в защите диссертаций и руководил выпускными работами аспирантов ДВФУ. Совместная работа продолжается, поэтому Диану Мануковскую включили в заявку на лучевое время – не как наблюдателя, а как полноправного участника эксперимента.

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» – крупнейший в России многопрофильный научный центр, на территории которого расположен один из наиболее востребованных синхротронных источников в стране. Синхротрон представляет собой гигантское кольцевое сооружение, где электроны, разгоняясь до околосветовых скоростей, генерируют интенсивное рентгеновское излучение высокой плотности и почти монохроматического спектра.

В ближайшее время на острове Русский вблизи Владивостока запустят новый синхротрон «РИФ» (Русский источник фотонов). Для его работы нужно подготовить более двухсот научных и инженерных специалистов. Чтобы получить практические навыки, студенты ДВФУ проходят стажировки в Москве.

– Для того, чтобы получить лучевое время, необходимо заранее направить в Курчатовский институт заявку, в которой обосновывается поставленная задача, – говорит Иван Тананаев. – Выигрывают только те заявки, которые победили в конкурсном отборе. Здесь на первый план выходит не наличие денег, которые тоже необходимо иметь для поездки, а ожидаемые результаты и актуальность поставленной темы. Наша команда прошла отбор, и была допущена к экспериментам, что, собственно, показывает важность и ценность поставленных нами задач.

Работа на установке строго регламентирована. Пучок излучения запускают в понедельник вечером, эксперименты идут в ночные смены. Вокруг кольца расположены своеобразные «руки» – экспериментальные станции, на каждой из которых размещены приборы, «заточенные» под конкретные задачи: от спектроскопии поглощения XANES/EXAFS до рентгеновской топографии и трехмерной визуализации.

– Синхротрон для меня – это живой организм, – описывает Диана Владимировна. – Пучок запускают в понедельник вечером, он работает ночами, к утру «устает», его накачивают заново. Огромное кольцо, вокруг кольца – экспериментальные станции, каждая решает свою задачу. Я бегаю между ними, учусь переключаться, общаться с операторами. Поначалу кажется, что это полный хаос, особенно когда нас пятнадцать человек, но именно здесь рождается наука другого уровня.

Прибор иногда «хандрит». Пучок просто «падает», и ты теряешь время, – объясняет она. – Спектры EXAFS/XANES – это не кнопка, которую можно нажать и получить готовый результат. Ты обрабатываешь данные, объединяешь спектры, смотришь на пик и понимаешь: ион «сидит» в неэквивалентных позициях, спектр не интерпретируется. Все. Результат есть, но в статью он не пойдет.

Обработка спектров требует сложного математического моделирования. Кроме того, в Курчатовском институте действует жесткая внутренняя верификация: любые данные, используемые в публикациях, должны проходить одобрение сотрудников станции и научного совета. Например, при работе с полярными кристаллами требуется вводить строгие физические поправки, без которых интерпретация запрещена.

В этом строгом поле правил и экспериментов родился главный результат. На станции визуализации и рентгеновской топографии удалось провести получить топографические изображения монокристаллов ниобата лития. Результаты подтвердили их исключительное структурное совершенство: рентгеновский луч прошел сквозь образец без рассеяния на дефектах, что доказывает абсолютную параллельность кристаллографических плоскостей. По словам Дианы Владимировны, даже те результаты, которые не удалось интерпретировать, стали ценным опытом: ученые теперь точно знают ограничения методики, понимают, какие образцы стоит отправлять на синхротрон, а какие лучше изучать другими методами, и как правильно выстраивать заявку на лучевое время.

– Теперь, если кто-то усомнится в качестве наших кристаллов, у нас есть объективное синхротронное доказательство.

Работа на установке требует четкого плана: смены расписывают заранее, время на пучке стоит дорого, и сотрудники станции не любят, когда его тратят впустую. Исследователи учатся отбирать образцы, которые действительно дадут результат под лучами и правильно оформлять заявки.

– Сидя на станции, я видела, как как горят глаза у студентов ДВФУ, – улыбается Диана. – Фотографировала их исподтишка и посылала снимки Ивану Гундаровичу: «Смотрите, какие заряженные ребята работают!». А когда вернулась домой, выяснилось: они фотографировали меня точно так же и тоже отправляли ему! Он так и сказал: «Я как будто там был с вами». Мы даже не договаривались. Эта спонтанная перекличка стерла тысячи километров.

– Раньше синхротрон был для нас просто красивой картинкой из новостей, – отмечает Иван Тананаев. – Теперь мы маленькими шагами проникаем в эту систему и получаем конкретные результаты. Это не просто доступ к технологии. Мы сами формируем эксперимент, учимся обрабатывать данные и забираем знания, которых в центре раньше просто не было.

Поколение «зумеров» принято ругать за расслабленность и нежелание работать в жесткой системе. Академик с этим совершенно не согласен.

– Студенты сегодня – это другая планета. Они на четвертом-пятом курсе рассуждают о публикациях в первом квартиле, владеют оборудованием на уровне инженеров и ничего не боятся.

Для Дианы Мануковской, имеющей многолетний опыт работы, общение с такими студентами стало не только профессиональным вызовом, но и источником вдохновения.

– Если кто-то скажет, что поколение потеряно – это неправда. Есть вот такие студенты, и это потрясающе.

Курчатовский синхротрон скоро встанет на длительную профилактику – сроки варьируются от нескольких месяцев до нескольких лет. Однако это открывает двери для нового источника – центра коллективного пользования «СКИФ» (Сибирский кольцевой источник фотонов) под Новосибирском. Ученые Кольского научного центра уже наладили контакты с коллегами из Новосибирска и готовы переносить отработанные методики на новую площадку.

– Курчатовский синхротрон уйдет на профилактику, но это открывает дорогу в Новосибирск, – делится планами Диана Владимировна. – Там запускают «СКИФ». Это машина четвертого поколения: если в Москве мы ловили сто фотонов в секунду, то там будет десять тысяч. Пучок стабильнее, интенсивность на порядок выше. Синхротронное время – это дорого и сложно, но мы теперь знаем, как с ним работать.

Переход на новую площадку – это потенциальный рост качества данных. Теперь в КНЦ знают не только то, что синхротрон существует, но и как в него попасть: как выстроить заявку, как говорить с операторами станций, какие образцы везти стоит, а какие – только зря занимать пучок. Топографические снимки ниобата лития стали тихим, но весомым аргументом качества, а все «неудачные» спектры превратились в четкую дорожную карту для следующих экспедиций.

– Это сложно, дорого, круто, и этим точно надо пользоваться, – подводит итог Диана Мануковская.

С 2025 года Кольский научный центр стал частью Научного центра мирового уровня «Центр рационального использования редкометалльного сырья», – говорит Иван Гундарович. – Одно из направлений нашей работы в рамках НЦМУ – создание новых материалов с заданными свойствами и эксплуатационными характеристиками. Здесь совершенно недостаточно только получить новое вещество. Его нужно «прогнать» через все возможные проверки, чтобы гарантировать: оно действительно работает. И синхротронные исследования помогут нам подтвердить и поддержать высокий уровень.

В Апатитах уже не гадают, «а стоит ли», а готовят новые заявки. Следующая остановка – «СКИФ» под Новосибирском.