Институт день за днем

Атомно-силовой микроскоп расширяет возможности

Сегодня мы продолжаем рассказ об экспериментальном оборудовании Лаборатории нейтронной физики, дополняющем парк нейтронных приборов. В №14 еженедельника мы познакомили читателей с рентгеновским дифрактометром. Представляя вторую установку, атомно-силовой микроскоп, начальник научно-экспериментального отдела нейтронных исследований конденсированных сред ЛНФ Д.П.Козленко сказал: Если рентгеновская установка помогает исследовать кристаллические материалы, то атомно-силовая микроскопия полезна для характеризации наносистем как в твердом, так и в жидком состоянии. С помощью этого метода можно оценить характерные размеры наночастиц, а затем эти данные использовать при интерпретации результатов малоуглового рассеяния нейтронов. Следует отметить, что с помощью атомно-силовой микроскопии можно исследовать только приповерхностный слой вещества, метод не всегда эффективен в случае наночастиц очень малого размера, порядка нескольких нанометров. В то же время метод малоуглового рассеяния нейтронов лишен этих ограничений и позволяет получать объемные структурные характеристики объектов, содержащих наночастицы и агрегаты, характерные размеры которых имеют порядок от нескольких до сотни нанометров.

Со всеми возможностями атомно-силового микроскопа, разместившегося в недавно отремонтированном помещении, меня познакомила ответственная за установку Ю.Е.Горшкова, научный сотрудник НЭОНИКС ЛНФ (на снимке): С 2012 года, когда реактор ИБР-2 после модернизации вновь был выведен в режим регулярной эксплуатации и начал работать на физический эксперимент, возобновлена программа пользователей в ЛНФ, и с каждым годом сообщество пользователей ИБР-2 пополняется новыми членами. Имевшаяся биохимическая комната, которая предназначена для подготовки образцов для нейтронных экспериментов и проведения дополнительных исследований, не удовлетворяла потребностям сотрудников НЭОНИКС и внешних пользователей. Два года назад родилась идея создания нового помещения, в котором в настоящее время собрано оборудование, позволяющее проводить и аттестацию образцов перед нейтронными экспериментами, и самостоятельные исследования. Приборная база пополняется в соответствии с потребностями нашего коллектива, российских и зарубежных партнеров из стран-участниц ОИЯИ для решения научных задач. Приоритетным принципом при выборе дорогостоящего оборудования для нас является возможность его использования для широкого спектра задач в рамках темы "Исследования конденсированного состояния вещества с использованием современных методов нейтронографии".

На сегодняшний день одним из самых востребованных приборов стал атомно-силовой микроскоп фирмы НТ-МДТ Спектрум Инструментс (Зеленоград, Россия). Он разработан по модульному принципу, и полтора года назад мы купили его в базовой комплектации, позволяющей проводить исследования топологии поверхностей образцов как в контактном, так и в полуконтактном режимах. Выбор режима и параметров сканирования, подбор зондов осуществляется индивидуально для каждого образца. Сканирование твердых образцов с незначительной шероховатостью, как правило, происходит в контактном режиме, но чаще всего и, в том числе, для биологических объектов мы используем полуконтактный режим, или так называемую тейпинг-моду, когда иголка "простукивает" поверхность. Одновременно при сканировании поверхности образца в каждой точке регистрируется изменение фазы колебаний кантилевера (наиболее распространенной в сканирующей атомно-силовой микроскопии конструкции микромеханического зонда - прим. ред.), которое записывается в виде распределения фазового контраста, то есть распределения значения упругости материала образца по площади поверхности сканирования. Полуконтактный метод чувствителен к различным взаимодействиям зонда с поверхностью, что дает возможность в процессе сканирования измерять ряд характеристик поверхности, например распределение вязкости и упругости, электрических и магнитных доменов.

Если говорить о развитии этого прибора, то в 2019 году была дополнительно приобретена система, позволяющая исследовать образцы в так называемой газо-жидкостной ячейке. Она может быть подключена к температурному контроллеру, диапазон температур составляет от -10 до +60°С. Чем это хорошо? Большинство биологических объектов находятся в физиологическом буфере, который подразумевает наличие солей. Остаточные кристаллы соли после промывания и высушивания образцов являются нежелательным компонентом при сканировании поверхности исследуемой системы. При использовании жидкостной ячейки образец находится в растворе и таких помех не возникает. Кроме того, есть возможность проводить исследования и при физиологических температурах, если это необходимо.

Исследования топологии образцов, проводимые с помощью атомно-силовой микроскопии, удачно сочетаются с основным направлением работы нашего отдела - изучением свойств, структуры, фазовых переходов как новых функциональных наноматериалов, так и модельных биологических объектов на нейтронных спектрометрах реактора ИБР-2. Одним из примеров комплементарности методов атомно-силовой микроскопии, нейтронной и рентгеновской рефлектометрии стало изучение тонких пленок полимерных нанокомпозитов, представляющих собой углеродные наночастицы - фуллерены в полимерной (полистирольной) матрице. На первом этапе работы сотрудники НЭОНИКС ЛНФ Т.В.Тропин и М.Л.Карпец (Киевский национальный университет имени Т.Шевченко) с помощью микроскопии контролировали качество полимерных пленок и распределение фуллеренов внутри матрицы. Это позволило усовершенствовать методику приготовления образцов для дальнейшего их исследования с помощью нейтронной и рентгеновской рефлектометрии. Стоит отметить, что возможности нашего прибора в этой работе не были ограничены исследованием топологии образцов. Измерение силовых кривых для тонких полимерных пленок, нанесенных на кремневую подложку, позволило определить толщину слоя полистирола - приблизительно 50 нм, что подтвердилось и экспериментами по рефлектометрии.

Наряду с методом малоуглового нейтронного рассеяния атомно-силовая микроскопия была использована для изучения морфологии новых полимеров с разветвленной архитектурой на основе Poly(2-oxazoline), синтезированных в Санкт-Петербургском госуниверситете. Меньшая вязкость и более высокая стабильность данного полимера по сравнению с широко известным полиэтиленгликолем (ПЭГ) делают этот объект исследования весьма привлекательным для его использования в медицине и фармакологии. На основе данных малоуглового рассеяния нейтронов и атомно-силовой микроскопии была предложена многоуровневая структурная модель этих полимеров.

С 2018 года в НЭОНИКС ЛНФ развивается новое направление, связанное с изучением биоцидных материалов. В рамках совместной научной программы между Бухарестским университетом (Румыния) и ЛНФ ОИЯИ с помощью малоуглового рассеяния нейтронов, рентгеновской дифракции и атомно-силовой микроскопии сотрудниками ЛНФ Ю.Е.Горшковой, Г.Д.Бокучавой и В.А.Турченко была исследована структура и морфология гибридных объектов на основе биогенного наносеребра, синтезированного из различных растений, хитозана, биоинспирированных мембран, меченных хлорофиллом альфа. Выявленные стабильные системы обладают высокими антиоксидантными и биоцидными свойствами, что на сегодняшний день является одним из важнейших требований к новым биогибридным материалам в биомедицине. Другим примером исследования биоцидов, ускоряющих заживление ран, является изучение наночастиц меди, стабилизированных биосовместимыми полимерами. Работа была выполнена совместно с сотрудниками Института высокомолекулярных соединений РАН (Санкт-Петербург) на спектрометре ЮМО реактора ИБР-2 и на атомно-силовом микроскопе в НЭОНИКС ЛНФ.

Нельзя не упомянуть и о многолетнем тесном сотрудничестве группы ЮМО с коллегами из НИЦ "Курчатовский институт" - ПИЯФ (Гатчина). Одним из ярких примеров комплементарного использования малоуглового рассеяния нейтронов, рентгеновской дифракции и атомно-силовой микроскопии в текущем году стало исследование изменения надмолекулярной и кристаллической структуры бактериальной целлюлозы (БЦ), подвергшейся деградации целлобиогидролазой из Scytalidium candidum ³С. Нано-гель-пленки БЦ обладают гигроскопичностью, водо- и паропроницаемостью, механической прочностью и биосовместимостью, что делает привлекательным использование БЦ в качестве покрытия ран. Однако одним из существенных ограничений применения биопленок БЦ для лечения ран является их адгезия к коже. Целью работы было создание модифицированных биопленок БЦ, не вызывающих травматичность пораженных участков кожи. Структурные исследования были проведены для БЦ, обработанной ферментами в течение 6 часов и высушенной в сверхкритических условиях в СО₂. В эксперименте in vivo показано, что подобная модификация БЦ способствует уменьшению травматичности при применении разрабатываемых раневых повязок.

У нас есть план дальнейшего развития существующего оборудования и пополнения приборной базы, что, безусловно, необходимо для комплексного решения современных научных задач с помощью дополнительных методов наряду с нейтронными исследованиями. Мы очень благодарны начальнику НЭОНИКС Д.П.Козленко и дирекции ЛНФ, которые нас всегда поддерживают в наших начинаниях. Кроме того, хотелось бы отметить, что нас изначально поддержали зарубежные коллеги не только в плане необходимости микроскопа, но и финансово - часть средств для покупки этого прибора была выделена из грантов и программ полномочных представителей Польши, Румынии, Словакии, Чехии. Поэтому мы с удовольствием предоставляем им возможность пользоваться этим прибором, когда они приезжают на нейтронные эксперименты. Мы рады, что наш прибор востребован.

Ольга ТАРАНТИНА,
фото Елены ПУЗЫНИНОЙ