Расширенный поискУченые ИФЗ РАН впервые изучили строение почвы на наноуровне
В статье сотрудников ИФЗ РАН Кирилла Герке и Марины Карсаниной, опубликованной 24 сентября 2020 года в международном журнале Geoderma, где статья была отмечена наградой «Editor’s choice», представлен метод подробного анализа образцов почвы, который поможет почвоведам, гидрологам, агротехнологам, криминалистам и исследователям других планет узнать все об имеющемся образце земли. Исследователи совместили высокоточное травление с помощью ионной пушки, обнажающее внутренние структуры почвы, и сканирование поверхности с помощью электронной микроскопии. Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Общая схема всех необходимых шагов для изучения структуры почвы в наномасштабе. Gerke et al / Geoderma, 2020
Для того, чтобы разобраться, что изменяется в почве и какие ее характеристики влияют на урожайность, 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.
«Наш комбинированный метод ИО-СЭМ позволяет более точно определять пористость и внутреннюю структуру образцов, показывает наличие минеральных и органических включений, которые являются важными показателями не только плодородности почвы, но и других свойств. 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 микроорганизмов. Сейчас мы работаем над совмещением методики с другими подходами, в том числе на основе синхротронного излучения, для быстрого исследования структуры почв на наноуровне»,- сообщила Марина Карсанина.
Для более подробного анализа ученые покрывали кусочек земли тонким слоем металла и получали подробное изображение поверхности при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). В отличие от обычного микроскопа, в СЭМ вместо лампы используется источник ускоренных частиц — электронов, — а вместо увеличивающих линз — большие магниты, направляющие и фокусирующие электронный пучок. Этот прибор позволяет рассмотреть гораздо более мелкие детали, но только на поверхности почвы.
Марина Карсанина
Руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории фундаментальных проблем нефтегазовой геофизики и геофизического мониторинга Института физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН
Ключевым для дальнейшего анализа является получение двухмерных данных и их совмещение в объемную картинку. Для этого необходимо срезать часть образца и очистить строго двухмерный срез, чтобы увидеть подробности его внутреннего строения. Ионный луч (ИО) — инструмент, позволяющий аккуратно снимать только верхний слой частичек вещества. Такое травление ионным пучком помогает открыть внутреннюю структуру даже самых хрупких и пористых образцов. Совместив две методики — ИО и СЭМ, — российские геофизики смогли подробно проанализировать внутреннюю структуру почвенных образцов и впервые количественно описали пористость почвы на наноуровне.
Для анализа ученые выбрали два типа почвы: дерново-подзолистую и чернозем — одни из ключевых в России. Как известно, чернозем считается самым плодородным; во многом это достигается за счет фрагментов перегноя и высокой пористости. Методом КТ ученые получили примерные размеры пор в образцах земли, а с помощью СЭМ-анализа на поверхности почвы смогли различить часть минеральных включений. Комбинация ИО-СЭМ дала геофизикам возможность рассмотреть еще и участки органо-минеральных соединений внутри образцов. При сравнении результатов выяснилось, что из-за небольшой плотности органического вещества КТ не позволяет отличить их от внутренних полостей. Полученные этим методом 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.
