Рентгеновская и электронная спектроскопия с разрешением по времени с использованием лазеров на свободных электронах. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям...


Рентгеновская и электронная спектроскопия с разрешением по времени с использованием лазеров на свободных электронах. ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» мероприятия 2.2 (проведение исследований, направленных на создание научно-технического задела с применением источников излучения фотонов и нейтронов на базе ускорителей и источников нейтронного излучения в рамках сотрудничества с научно-исследовательскими организациями и университетами Федеративной Республики Германия), проект RFMEFI58714X0002, проект ЮФУ № 213.01-05/2014-3. (2014-2017, Солдатов А.В.).

Актуальность проекта

Развитие принципиально новых технологий и материалов существенно сдерживается тем фактом, что большинство имеющихся в настоящее время методик исследует статические свойства материалов. Измерения проводятся в течение секунд, минут и даже часов, поэтому получаемые данные являются усредненными показателями, не позволяющими оценить динамику процессов. В то время как перенос заряда с атома на атом, образование химической связи, фотовозбуждение атомов и наночастиц происходят в диапазоне миллионных, миллиардных и более высоких степеней долей секунды. Поэтому открываемые новым поколением уникальных научных установок – лазерами на свободных электронах – возможности проведения исследований в фемтосекундном диапазоне разрешения по времени, несомненно, приведут исследователей к пониманию новых фундаментальных закономерностей динамики атомной и электронной структур материалов. Это что откроет пути для создания принципиально новых технологий и материалов с уникальными свойствами, таких как молекулярные переключатели. Все вышесказанное однозначно определяет высокую актуальность настоящего проекта именно в данный период, когда заканчиваются подготовительные работы по запуску Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах. Целью проекта является разработка и внедрение новой уникальной методики - рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с высоким временным разрешением в рамках создания научно-технического задела с применением Европейского рентгеновского лазера на свободных электронах (проект XFEL) в рамках сотрудничества с научно-исследовательскими организациями и университетами Федеративной Республики Германия и российско-германского Института Иоффе-Рентгена. С помощью этой методики и серии дополнительных будут проведены исследования перспективных фотохромных систем.

На первом этапе была отработана технология синтеза металлокомплексов, обладающих потенциальным фотоиндуцируемым изменением магнитных свойств и фотохромных систем – перспективных материалов для оптической записи информации и регулирования световых потоков. Контроль химических реакций осуществлялся методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Был проведён литературный обзор, посвящённый методикам синтеза и исследования фотовозбуждённых молекул. Патентный поиск позволил выявить коммерческую значимость проводимых исследований на последующих этапах проекта.

Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах будет введён в эксплуатацию в 2017 году. В настоящее время учёными накоплен достаточный опыт работ на установках подобного масштаба (LCLS, SPRING-8, FLASH), основное преимущество которых заключается в создании рентгеновских импульсов длительностью порядка 100 фс с частотой следования порядка 1000 Гц. Были обнаружены сложности в использовании стандартных методик, зарекомендовавших себя на источниках синхротронного излучения 3-го поколения, в силу большой плотности энергии в каждом отдельном импульсе. Это приводит как к повреждению образца, так и к искажению сигнала и сложностям последующей обработки данных. В исследуемых образцах на ЛСЭ основной интерес представляют динамические изменения, а не статические свойства, которые лучше всего исследовать на стандартных лабораторных или синхротронных источниках. Перечисленные особенности, обнаруженные нами в ходе проведения обзора литературы на предыдущем этапе проекта, накладывают ограничения на перечень образцов, представляющих первоочередной интерес для исследований на ЛСЭ.

В рамках данного проекта нами были выбраны следующие соединения для исследований:

- Фотоактивные координационные соединения в конденсированном кристаллическом состоянии для отработки методики измерений на лабораторных иссточниках рентгеновского излучения, линхротронных и ЛСЭ

- Фотоактивные координационные соединения в многокомпонентных растворах для фотокаталитических реакций, применяемых для производства водорода из воды

- Фотоактивные координационные соединения на двумерных подложках, в т.ч. на функционализированном графене

- Фотоактивные координационные соединения в нанопористых материалах, в том числе в металлорганических каркасных структурах.

- Магнитные материалы, в т.ч. наноразмерные частицы магнетита, допированные редкоземельными элементами для биомедицинских применений

- Наночастицы благородных металлов, в т.ч. обладающие эффектом плазмонного резонанса, для исследования хода реакций катализа и фотокатализа.

- Полупроводниковые коллоидные квантовые точки в том числе со структурой core-shell


Ход выполнения 6 этапа (2017 г.)

В ходе выполнения работ на шестом этапе (2017 г.) были поданы заявки на первые измерения на Европейском ЛСЭ. Выполнены измерения UV-vis спектров с фемтосекундным разрешением после облучения лазерным импульсом спиропирана и его комплекса с цинком. Выполнены исследования перспективных материалов, подготовленных в ходе проекта, на рентгеновском лазере на свободных электронах с временным разрешением 100 фс. С помощью жёсткого рентгеновского излучения исследовано поведение систем с сильной электронной корреляцией с высоким временным разрешением после облучения лазерным импульсом. Проведена обработка и теоретическое моделирование для соединений с переменной валентностью в ходе фазового перехода, вызванного облучением лазерным импульсом. Получены значения времён релаксации, констант фотодиссоциации, проведёна оценка вклада нелинейных процессов в сечение фотопоглощения и выполнен теоретический анализ полученных спектральных данных. Разработан и запущен в эксплуатацию специализированный веб-портал для теоретического анализа данных различных методик в области рентгеновской спектроскопии.

Полученные результаты несут информацию о характерных временах возбуждения и релаксации в исследуемых в проекте материалах. Это является важными параметрами для практического создания новых устройств с высокой скоростью записи/чтения информации сверхмалых размеров, а также для фундаментального понимания процессов взаимодействия электронной и атомной структуры вещества с сильными эффектами корреляции. Уникальность полученных результатов на пятом этапе проекта обуславливается использованием рентгеновского лазера на свободных электронах, а также передового оборудования ведущих мировых и отечественных синхротронных центров и команды специалистов высокого уровня. Для предварительно аттестации образцов были использованы источники синхротронного излучения ESRF, швейцарский синхротронный центр SLS и лаборатория фемтосекундной молекулярной динамики в г.Берн (проф. Андреа Каниццо). Измерения проводились с высоким временным и энергетическим разрешением, используя импульсный характер излучения рентгеновского лазера на свободных электронах. Проведены успешные массо-габаритные испытания инженерной инфрастуктуры помещений на базе Европейского лазера на свободных электронах (ЛСЭ) перед установкой спектрометра. Функционирование всех систем спектрометра отлажено в ходе экспериментов на прототипе ЛСЭ - ультрафиолетовом лазере на свободных электронах FLASH. Реализована мобильная платформа для перемещения спектрометра, позволяющая в течение нескольких часов перемещать всё оборудование между экспериментальными залами FLASH и рентгеновского ЛСЭ по мере выделения времени на проведение исследований. Веб-портал для теоретического анализа данных различных методик в области рентгеновской спектроскопии значительно упрощает интерфейс взаимодействия с суперкомпьютером. Большинство клиент-серверных приложений сейчас строятся по типу сверхтонкого клиента, когда на стороне сервера происходит не только выполнение команд но и построения интерфейса пользователя, а в качестве клиента используется обычный браузер. Именно эта схема была выбрана для создания WebHPC - системы управления суперкомпьютером нашего центра. Адаптивный дизайн сайта позволяет управлять кластером даже с мобильного устройства. Разработанная Web система управления суперкомпьютером является универсальной. Она применима к любому кластеру, на котором управления очередью совершается с помощью программы slurm.


Назначение и область применения результатов проекта


Полученные результаты о ходе каталитических реакций, фазовом анализе функциональных материалов уже находят своё применение в области синтеза новых наноматериалов с заданными свойствами. Расширение полученных знаний в область высокого временного разрешения позволит целенаправленно разрабатывать принципиально новые материалы для высокотехнологичного сектора российской экономики, включая такие области как квантовые вычисления, спинтроника, материалы для био-медицинских применений, фотовольтаика, фотокатализаторы, графеновая электроника, высокотемпературные сверхпроводники. Кроме того, будет исследовано поведение материалов при экстремальных
воздействиях.

Эффекты от внедрения результатов проекта

Потребителями результатов будут научно-исследовательские организации и предприятия высокотехнологичного сектора российской экономики которые целенаправленно занимаются разработкой и производством принципиально новых материалов для такие областей как нанотехнологии, элементная база для квантовых вычислений, спинтроника, материалы для био-медицинских применений, материалы и устройства фотовольтаики, разработка фотокатализаторов, элементов графеновой электроники, высокотемпературных сверхпроводников.


Наличие соисполнителей

К выполнению проекта кроме двух групп из Южного федерального университета (г. Ростов-на-Дону) привлечены научные группы из Национального исследовательского Ядерного университета (НИЯУ МИФИ, Москва), Института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург). Со стороны иностранного партнера, которая разрабатывает и настраивает аппаратуру для реализации методики, привлечены научные группы из университетов Гамбурга и Киля (Германия).

Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

Изобретение "Устройство для изгиба кристалла-монохроматора (заявка № 2015148993 от 16.11.2015 ", патент на изобретение № 2612753 от 13.03.2017 г., РФ);

Программа для ЭВМ "SPEC MOD-FT" (свидетельство о государственной регистрации № 2016619357 от 18.08.2016 , РФ).
Программа для ЭВМ "WebHPC" (свидетельство о государственной регистрации № 2017616700 от 10.07.2017 , РФ).


Публикации по направлению


Всего отобрано 2 публикаций с суммарным значением Impact-factor = 0

1. A. L. Bugaev, A. A. Guda, O. M. Yefanov, U. Lorenz, A. V. Soldatov and I. A. Vartanyants "X-ray Absorption Spectroscopy and Coherent X-ray Diffraction Imaging for Time-Resolved Investigation of the Biological Complexes: Computer Modelling towards the XFEL Experiment" Journal of Physics: Conference Series 2016 712 (1) 012024 DOI: 10.1088/1742-6596/712/1/012024    

2. A. A. Guda, S. A. Guda, M. A. Soldatov, K. A. Lomachenko, A. L. Bugaev, C. Lamberti, W. Gawelda, C. Bressler, G. Smolentsev, A. V. Soldatov and Y. Joly "Finite difference method accelerated with sparse solvers for structural analysis of the metal-organic complexes" Journal of Physics: Conference Series 2016 712 (1) 012004 DOI: 10.1088/1742-6596/712/1/012004