Впервые российские ученые изучили строение почвы на наноуровне
Ученые совместили высокоточное травление с помощью ионной пушки и сканирование поверхности с помощью электронной микроскопии. Результаты такого анализа оказались гораздо точнее, чем результаты, полученные с помощью рентгеновской томографии
Ученые из Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта, Почвенного института им. В. В. Докучаева и Московского физико-технического института совместили высокоточное травление с помощью ионной пушки, которое обнажает внутренние структуры почвы, и сканирование поверхности с помощью электронной микроскопии. Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), сообщает «Коммерсант».
Классическим способов изучения пористых образцов является 3D-сканирование с помощью рентгеновской томографии, но возможностей этой методики не хватает для рассмотрения самых крошечных полостей и трещин. Чтобы подробнее проанализировать образцы, ученые покрывали кусочек земли тонким слоем металла и получали подробное изображение поверхности при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). В нем, в отличие от обычного микроскопа, вместо лампы используется источник ускоренных частиц — электронов, а вместо увеличивающих линз — большие магниты, которые направляют и фокусируют электронный пучок. СЭМ дает возможность рассмотреть гораздо более мелкие детали, но только на поверхности почвы.
Для дальнейшего анализа почвы необходимо получить двухмерные данные и совместить их в объемную картинку: часть образца срезают, очищают строго двухмерный срез, чтобы увидеть подробности его внутреннего строения. В этом помогает ионный луч (ИО) — инструмент, который позволяет аккуратно снимать только верхний слой частичек вещества. Даже у самых хрупких и пористых образцов можно открыть внутреннюю структуру благодаря травлению ионным пучком. Ученые совместили ИО и СЭМ, подробно проанализировали внутреннюю структуру образцов почвы и впервые количественно описали ее пористость на наноуровне.
Для анализа геофизики выбрали два типа почвы — дерново-подзолистую и чернозем, которые являются одними из ключевых в России. Чернозем считается самым плодородным за счет фрагментов перегноя и высокой пористости. С помощью компьютерной томографии исследователи получили примерные размеры пор в образцах, а СЭМ-анализ помог различить на поверхности почвы часть минеральных включений. Возможность рассмотреть участки органоминеральных соединений дала комбинация ИО-СЭМ. При сравнении результатов оказалось, что полученные методом КТ данные по количеству пор и их размерам оказались не совсем верными: чернозем обладает значительно большей пористостью по сравнению с дерново-подзолистой почвой, чего нельзя увидеть с помощью КТ.