Фокусируемый ионный луч и электронный микроскоп помогут изучить наноструктуру почвы

Ученые из Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта, Почвенного института имени В. В. Докучаева и Московского физико-технического института предложили новый метод внутреннего анализа образцов почвы на принципиально новом масштабе — до нескольких нанометров. Статья с результатами работы опубликована в журнале Geoderma, где она была отмечена наградой «Editor’s choice». Исследование было поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда, кратко о его итогах сообщает пресс-релиз фонда.

По небольшому образцу почвы современные ученые могут многое сказать о ней: установить ее происхождение, физические свойства и определить ее плодородность. Исследования такого рода важны в самых разных областях, от сельского хозяйства до криминалистики, они могут быть использованы и при изучении грунта других планет. Обычно объемные изображения исследуемого образца получают при помощи рентгеновской томографии. Но ее возможностей бывает недостаточно, чтобы рассмотреть самые крошечные полости и трещины внутри образца.

Авторы нового метода совместили две технологии: фокусируемый ионный пучок (фокусируемый ионный луч, ФИЛ) и сканирующую (растровую) электронную микроскопию. Две этих технологии близки друг другу, только в первой из них с исследуемым образцом взаимодействует пучок не электронов, а ионов, кинетическая энергия которых больше. Поэтому ионы выбивают атомы из образца, и ФИЛ дает возможность обработать образец на наноуровне. Например, ионным пучком можно снять только один внешний слой атомов, не затронув лежащие глубже.

Для получения трехмерного изображения образца почвы на наноуровне ученые совмещали двухмерные картинки, сделанные при помощи сканирующего электронного микроскопа, срезая слои образца при ионного луча. Это позволило им открыть внутреннюю структуру даже самых хрупких и пористых образцов и впервые количественно описать пористость почвы на наноуровне.

Эксперименты проводились с почвой двух типов: черноземной и дерново-подзолистой. Знаменитое плодородие черноземов во многом достигается за счет фрагментов перегноя и высокой пористости. Сначала при помощи томографии ученые получили примерные размеры пор в образцах, а с помощью сканирующего электронного микроскопа смогли различить часть минеральных включений на поверхности образца. Комбинация ионного луча и электронного микроскопа дала геофизикам возможность рассмотреть еще и участки органо-минеральных соединений внутри образцов. Были получены изображения с разрешением до 4 нанометров (при томографии разрешение составило 1,01 микрометра, то есть примерно в 250 раз крупнее).

При сравнении результатов выяснилось, что из-за небольшой плотности органического вещества томография не способна отличить их от внутренних полостей. Полученные в ходе томографии данные о количестве пор и их размерах оказались не совсем верными: чернозем обладает значительно большей пористостью по сравнению с дерново-подзолистой почвой, чего нельзя увидеть с помощью томографии.

Важность точного определения пористости и структуры образцов почвы, выявления органических и минеральных включений объяснила руководитель проекта, старший научный сотрудник ИФЗ им. О. Ю. Шмидта Марина Карсарина: «Полученные нами изображения в будущем позволят моделировать характеристики, которые сейчас невозможно зафиксировать в лабораторных условиях. Например, это способность проводить и удерживать воду и воздух, а также доступность питательных веществ для растений и микроорганизмаов. Сейчас мы работаем над совмещением методики с другими подходами, в том числе на основе синхротронного излучения, для быстрого исследования структуры почв на наноуровне».