Jau kopš akmens laikmeta cilvēki izmantojuši dažādus materiālus un tiem ir bijusi neatsverama loma cilvēces attīstībā. Metāli, stikls un keramika ir tikai daži no materiāliem, kurus esam izmantojuši gadsimtiem ilgi un joprojām turpinām izmantot. Mūsu zināšanas par materiāliem ilgu laiku ir attīstījušās empīriski, līdz 19. gadsimta beigās tika pierādīts, ka materiāla fizikālās īpašības ir saistītas ar tā atomāro struktūru un to, kā atomi ir sakārtoti un saistīti viens ar otru. Zināšanas par materiāla struktūru ir būtiskas, lai izprastu un mainītu tā īpašības un uzvedību, kas galu galā nosaka arī praktiskos pielietojumus. Šis uzdevums ir izaicinājums, jo mazais atomu izmērs, kas ir aptuveni 0,1 nanometrs (aptuveni 1 miljons reižu mazāks nekā cilvēka mata biezums), ir ārpus mūsu acu un arī citu optisko instrumentu, ieskaitot vismodernāko optisko mikroskopu, jutības.
Izrāviens materiālu atomārās struktūras izpētē ir saistīts ar vācu zinātnieka Vilhelma Rentgena rentgenstaru atklāšanu 1895. gadā. Rentgenstari ir augstas enerģijas elektromagnētiskais starojums, kura viļņu garums ir diapazonā no 0,01 nm līdz 10 nm, un tas ir salīdzināms ar atoma izmēru. Laba rentgenstaru iespiešanās matērijā un mijiedarbība ar atomu elektroniem padara tos ideāli piemērotus materiālu atomārās struktūras un ķīmisko saišu pētījumiem.
Eksistē vairāki veidi, kā iegūt rentgenstarojumu. Rentgenstaru lampa, iespējams, ir visplašāk izmantotais avots, ar kuru daudzi no mums ir saskārušies, apmeklējot ķirurgu vai zobārstu. Tomēr zinātnieki mūsdienās arvien vairāk izmanto riņķveida daļiņu paātrinātājus, kurus sauc par sinhrotroniem. Tie ļauj iegūt īpaši spilgtu rentgenstarojumu, kura intensitāte ir daudzkārt lielāka par to, ko var iegūt no rentgenstaru lampas. Sinhrotronos iespējams veikt eksperimentus precīzāk, ātrāk, un var pētīt maza izmēra paraugus, piemēram, nanodaļiņas vai pat atsevišķas molekulas. Pašlaik Eiropā ir 16 sinhrotronu centri (pasaulē vairāk nekā 50), kurus izmanto zinātnieki no visas pasaules, ieskaitot Latviju. Šobrīd zinātnieki sākuši izmantot vēl spilgtākus rentgenstarojuma avotus – brīvo elektronu lāzerus, kas paver jaunas iespējas, pētot materiālu dinamiskos procesus laika skalā līdz femtosekundēm.
Pastāv divas galvenās eksperimentālās metodes materiālu struktūras pētījumiem, izmantojot rentgenstarojumu.
Rentgenstaru difrakcija ir pazīstamākā un visplašāk izmantotā metode, ko 1912. gadā atklāja vācu zinātnieks Makss fon Laue, kurš par to 1914. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā. Metode balstās uz interferences parādību, ko novēro kristāliskam režģim mijiedarbojoties ar rentgenstarojumu. Eksperimentā tiek iegūta tā sauktā “difrakcijas aina”, kas ir unikāla katram kristāliskajam materiālam un ļauj tos atšķirt. Detalizēta difrakcijas ainas analīze ļauj zinātniekiem noteikt kristālisko materiālu atomāro struktūru.
Paplašinātā rentgenstaru absorbcijas sīkstruktūras (Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spektroskopija, ko bieži dēvē vienkārši par XAFS ir papildinoša metode difrakcijai. Tā ļauj noteikt lokālo atomāro struktūru ap konkrētu elementu materiālā. Strukturālā informācija ir iekodēta nelielās rentgenabsorbcijas spektra svārstībās, kas sniedzas tālu aiz pētāmā elementa absorbcijas malas. Tā kā visiem elementiem no periodiskās tabulas rentgenstaru absorbcijas malas atrodas pie dažādām enerģijām, iespējams selektīvi izvēlēties pētāmo elementu materiālā. Turklāt metodes jutība tikai pret lokālo atomāro struktūru padara EXAFS par ideālu instrumentu gan kristālisku, gan nesakārtotu cietvielu, šķidrumu un gāzu pētījumiem. Sarežģītos materiālos EXAFS ļauj neatkarīgi pārbaudīt lokālo apkārtni ap dažāda veida atomiem. Metodi var izmantot gan, kad interesējošā ķīmiskā elementa koncentrācija materiālā ir liela, gan, kad tā ir maza, kā arī tā ļauj zinātniekiem sekot materiāla struktūras izmaiņām dažādās temperatūrās, spiedienos, elektriskajā un magnētiskajā laukā, kā arī dažādu gāzu atmosfērās.
Pirmos EXAFS novērojumu rezultātus 1920. gada žurnālā Physical Review publicēja dāņu zinātnieks Hugo Fricke, kurš veica eksperimentus Lundas universitātē (Zviedrija), topošā Nobela prēmijas laureāta prof. Manne Siegbahn laboratorijā. Tāpēc šogad mēs atzīmējam EXAFS spektroskopijas 100. gadadienu.
Mūsdienās EXAFS spektroskopija rod daudz pielietojumu dažādās zinātnes jomās un arvien vairāk kļūst par starpdisciplināru pētījumu rīku. To plaši izmanto, lai izpētītu saistību starp materiālu struktūru un to īpašībām, kas ir kritiski dažādām jomām, sākot no ķīmijas un fizikas līdz dzīvības, vides zinātnēm un enerģētikai, no arheoloģijas un kultūras mantojuma līdz informātikai un nanotehnoloģijām. EXAFS eksperimenti, kas veikti ekstrēmos apstākļos (augstā temperatūrā un spiedienā), ir īpaši vērtīgi, lai atklātu augstas veiktspējas materiālu uzvedību kritiskām tehnoloģiskām vajadzībām, kā arī lai labāk izprastu ģeoloģiskos procesus Zemes dzīlēs un uz citām planētām.
Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI), būdams Latvijā vadošais pētījumu centrs materiālzinātnē, aktīvi darbojas EXAFS spektroskopijas jomā vairāk nekā 30 gadus. Šajā laikā LU CFI pētniekiem ir uzkrāta liela pieredze sinhrotrona starojuma izmantošanā, katru gadu īstenojot 4-5 projektus dažādos Eiropas sinhronu centros, piemēram, PETRA-III (Hamburgā), SOLEIL (Parīzē), ALBA (Barselonā), ELETTRA (Triestē), MAX IV (Lundā) un ESRF (Grenoblē).
Paralēli eksperimentālajām aktivitātēm LU CFI pēdējo desmit gadu laikā ir ieguldīts liels darbs, lai izstrādātu teorētiskās metodes, kuru pamatā ir atomistiskas simulācijas, lai uzlabotu datu interpretācijas ticamību un palielinātu strukturālās informācijas apjomu, ko var iegūt no EXAFS spektru analīzes. Uzkrātās prasmes un kompetence EXAFS datu analīzē ierindo LU CFI komandu starp vadošajām grupām Eiropas Pētniecības telpā un ārpus tās, sniedzot jaunas iespējas starptautiskai sadarbībai. LU CFI pārstāv Latviju arī Eiropas sinhrotronu un brīvo elektronu lāzeru lietotāju organizācijā (ESUO).
 |  |
LU CFI komanda nesenajā eksperimentā (2020. gada oktobris), izmantojot augstas izšķirtspējas fon Hamos tipa rentgenstaru emisijas spektrometru P64 advancētajā rentgenstaru absorbcijas spektroskopijas eksperimentālajā līnijā PETRA-III sinhrotronā (Hamburgā). | |
