Репортаж от Wedoany，Исследователи Национальной лаборатории Скалистых гор США (National Laboratory of the Rockies, NLR) расширяют применение технологии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на такие стратегические отрасли, как аккумуляторы, полупроводники, биопластики и биотопливо, для обнаружения мельчайших дефектов в материалах на атомном уровне. Эта технология, насчитывающая более восьмидесяти лет истории, ранее выполняла преимущественно рутинные функции в химическом анализе.
Руководитель оборудования для ядерного магнитного резонанса лаборатории Беннетт Аддисон отметил, что многие исследователи, направляющие материалы на анализ, не уверены в том, соответствует ли полученный продукт ожиданиям. На атомном уровне мельчайшие примеси или структурные дефекты могут остаться незамеченными при использовании обычных методов, что способно повлиять на характеристики полупроводников, полимеров или синтетических волокон. Технология ЯМР позволяет получать детальную структурную информацию о твёрдых телах, гелях, полимерах, биоматериалах и компонентах аккумуляторов без разрушения образца, однако эта возможность ещё не получила широкого применения.
Показательным примером является анализ смешанных галогенидных полупроводников, проведённый исследователем Россом Кернером. Он применил более чувствительный метод ЯМР для анализа тонкоплёночных образцов, изготовленных промышленными поставщиками, и обнаружил во всех образцах примеси, которые ранее не выявлялись. Эти данные позволили точно количественно оценить типы и содержание дефектов, и несколько производителей скорректировали свои технологические процессы на основе полученных результатов. Кернер отметил, что всего двух дней экспериментов оказалось достаточно, чтобы различные предприятия повысили качество материалов. Результаты соответствующих исследований опубликованы в журналах Nature, ACS Applied Energy Materials и InfoMat.
В сфере биоэкономики команда NLR использовала ЯМР для построения первой детальной молекулярной модели вторичной клеточной стенки тополя (Populus). Тополь является важным деревом для производства биотоплива и биоматериалов. С помощью твёрдотельного ЯМР и технологии обогащения изотопом углерода-13 исследователи получили количественную информацию о пространственном расположении полимеров древесины. Эта модель может поддерживать компьютерное моделирование для оптимизации процессов преобразования биомассы в топливо, удобрения, химические вещества и новые материалы. Лаборатория также использует высокопроизводительный ЯМР для анализа тысяч образцов растений за короткий срок, превращая плантации в крупные базы данных для выявления различий в содержании сахаров и лигнина между разными видами деревьев, что способствует генетическому отбору энергетических культур.
В разработке устойчивых полимеров NLR применила метод ЯМР с «вращением под магическим углом», при котором образец вращается под углом 54,7 градуса в магнитном поле, что позволяет получать высокоразрешающую информацию о полутвёрдых материалах без их растворения. С помощью этой технологии исследователи охарактеризовали биоразлагаемый и перерабатываемый эластомер, который имеет перспективы применения в области клеев, робототехники и электроники. Кроме того, команда использовала ЯМР на ядрах лития-7 для изучения движения ионов в твёрдотельных электролитах при различных температурах, чтобы понять влияние беспорядка кристаллической структуры на диффузию ионов — фактор, напрямую связанный с проводимостью и эффективностью аккумуляторов следующего поколения на основе лития.
В настоящее время около 120 исследователей регулярно используют ЯМР-спектрометры лаборатории, а десятки предприятий также пользуются её услугами для оптимизации продукции и промышленных процессов. Аддисон и Кернер считают, что основным препятствием для распространения передовых методов ЯМР является не технический аспект, а зависимость исследователей от существующих аналитических процедур. Точное понимание поведения материалов на атомном уровне может определить разницу между обычным продуктом и технологической инновацией, способной повлиять на энергетику, передовые материалы и биоэкономику.
