Меньше, чем атом водорода: учёные создали микроскоп с разрешением 0,05 нм

Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL) Министерства энергетики США установила новый сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп Thermo Scientific Spectra Ultra. Прибор различает отдельные атомы и дефекты в их расположении, и с его помощью планируется искать материалы для более лёгких автомобилей, более прочных сплавов, магнитов и катализаторов, сообщила лаборатория.

Что видно на расстоянии 0,05 нанометра

Пространственное разрешение микроскопа — составляет менее 0,05 нанометра, или половину ангстрема. Это меньше диаметра атома водорода, самого маленького из всех атомов, объясняют специалисты по электронной микроскопии. Для сравнения: такое расстояние примерно в миллион раз меньше толщины человеческого волоса.

Принцип работы таков: пучок электронов фокусируется в крошечную точку и строка за строкой «прочесывает» ею сверхтонкие образцы, а из электронов, прошедших через него, формируется изображение. Параллельно прибор собирает рентгеновское излучение, которое показывает химический состав каждого участка. Напряжение пучка здесь можно изменять от 30 до 300 киловольт, чтобы не повредить хрупкие образцы, отмечает производитель.

Почему один сплав удерживается, а другой ослабевает

Автопроизводители уже давно ищут более лёгкие металлы, которые позволили бы сэкономить топливо или увеличить запас хода без ущерба для безопасности и долговечности. Для этого необходимо понимать, как материал изменяется в течение многих лет реальной эксплуатации. ORNL уже работает над такими задачами: ранее лаборатория разработала жаропрочные сплавы для более легких и экономичных грузовых двигателей.

Магниты и катализаторы

Второе направление исследования — постоянные магниты для тяговых электродвигателей. Исследователи хотят выяснить, как критически важные минералы распределены внутри магнита, можно ли заменить их более доступными и как это повлияет на работу при высоких температурах. Устойчивость к экстремальным условиям — общий вызов для материаловедов: например, NASA недавно провело испытания батареи, которая выдержала температуру −170 °C.

Еще одно направление — катализаторы, то есть вещества, ускоряющие химические реакции. Их используют в топливных элементах, в производстве удобрений и пластмасс, а учёные хотят понять, почему одни катализаторы со временем сохраняют эффективность, а другие деградируют. Поиски более эффективных катализаторов продолжаются во многих лабораториях: так, в Шанхае создали катализатор, преобразующий древесину в авиатопливо.

Микроскоп, который будет работать самостоятельно

Наибольший потенциал устройства в ORNL видят в автоматизации. Вместо того чтобы ученые вручную изучали несколько образцов, автономные системы будут собирать и анализировать большие массивы данных, выявлять закономерности в микроструктуре и подсказывать, что исследовать дальше. Внедрение микроскопа поддержали Управление транспортных технологий и Управление альтернативных видов топлива и сырья Министерства энергетики США.

В пресс-релизе лаборатории эти автоматизированные процессы названы «SI-enabled», то есть работающими на основе Super Intelligence. Это не новая технология, а новое название искусственного интеллекта: указ президента США от 29 сентября 2026 года обязал федеральные ведомства использовать термин «суперинтеллект» вместо «искусственного интеллекта», речь идет в инструкциях Минэнерго.

Не рекорд, а рабочий инструмент

Само по себе разрешение в 0,05 нанометра не является чем-то невиданным. Еще в 2008 году в Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли заработал микроскоп TEAM 0.5 с разрешением в пол-ангстрема. Его разработала совместная команда Министерства энергетики, в состав которой входила и ORNL.

Мировой рекорд принадлежит другому подходу — — электронной птихографии, когда изображение восстанавливается с помощью компьютерных алгоритмов из тысяч картин рассеяния. В 2021 году команда Дэвида Мюллера из Корнелльского университета достигла с разрешением 0,02 нанометра.

Ценность Spectra Ultra заключается в другом: это серийный прибор, сочетающий в себе атомное разрешение, быстрый химический анализ и гибкую настройку напряжения. Thermo Fisher Scientific представила эту модель в 2021 году, в частности с детектором Ultra-X, который, по данным компании, вдвое сокращает время построения химических карт образца.

Кто сможет им пользоваться

Микроскоп, расположенный в Центре нанофазных материаловедческих исследований ORNL —, является научным объектом Минэнерго, открытым для внешних исследователей. Доступ к нему бесплатный для тех, кто публикует результаты в открытой научной литературе. Следующий шаг — адаптировать имеющиеся в лаборатории алгоритмы машинного обучения для работы с электронным пучком прибора, пишет Tech Times.

Источник: Interesting Engineering