Мощности компьютерного томографа для этого недостаточно

Даже небольшой образец почвы может многое рассказать: насколько плодородной она может быть, какие процессы в ней происходили и каковы ее физические свойства. Российские ученые предложили 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).

Сельское хозяйство — одна из ведущих отраслей мировой экономики, требующая больших площадей плодородной земли. Выращивание съедобных и кормовых растений стоит в основе пищевой промышленности, и при росте популяции человечества размеры сельхозугодий тоже должны увеличиваться. Тем не менее для выращивания ценных сортов пригодны далеко не все доступные участки. Кроме того, земля со временем истощается и урожайность снижается. 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 им. В. В. Докучаева и Московского физико-технического института предложили новый метод внутреннего анализа образцов почвы в принципиально новом масштабе — до нескольких нанометров.

Ставшим уже классическим способом изучения пористых образцов изнутри является 3D-сканирование с помощью рентгеновской томографии. Этот метод широко распространен в медицине для визуализации внутренних органов: в частности, востребованная в последнее время компьютерная томография (КТ) легких делается именно с помощью рентгеновских лучей, формирующих объемную картинку. Тем не менее, чтобы рассмотреть самые крошечные полости и трещины внутри образца, возможностей этой методики может оказаться недостаточно. 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.

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 органоминеральных 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.

«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»,— поделилась Марина Карсанина, руководитель проекта по гранту РНФ, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта РАН.

Going submicron in the precise analysis of soil structure: A FIB-SEM imaging study at nanoscale; Kirill M. Gerke, Evgeniy V. Korostilev, Konstantin A. Romanenko, Marina V. Karsanina; журнал Geoderma, ноябрь 2020 г.