Синхротронное излучение (СР) обладает уникальным набором характеристик — высокой яркостью, когерентностью, широким спектральным диапазоном от инфракрасного до жёсткого рентгена и возможностью тонкой настройки энергии. Эти свойства делают его исключительно полезным инструментом для исследования структурных, электронных и динамических свойств наноматериалов. В отличие от традиционных источников рентгеновских и оптических лучей, СР позволяет анализировать объекты с наноразмерным разрешением, выявлять локальные неоднородности и изучать процессы in situ в реальном времени.
Порошковая и тонкоплёночная дифракция. Методы рентгеновской дифракции на синхротронном излучении позволяют получать детальные данные о кристаллической структуре наноматериалов. Высокая интенсивность пучка обеспечивает регистрацию слабых сигналов от малых объёмов образца, а малый размер фокусируемого пятна позволяет исследовать отдельные наночастицы или микрозоны в тонких плёнках.
Малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS). Данный метод является ключевым для изучения морфологии наночастиц, их размеров, формы и агрегационных состояний. Благодаря высокой яркости СР удаётся регистрировать данные при низких концентрациях частиц и получать статистически достоверные распределения размеров.
Широкоугловое рассеяние (WAXS). Используется для уточнения межатомных расстояний и анализа локальной упорядоченности в аморфных наноструктурах. В комбинации с SAXS удаётся построить полную картину структуры наноматериала на разных масштабах.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). При использовании синхротронного излучения достигается высокая энергетическая разрешающая способность, что позволяет выявлять химические состояния элементов в наночастицах и тонких слоях. Особенно важно это для гетероструктур и каталитических наноматериалов, где локальная химия определяет функциональные свойства.
Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS). Включает методы XANES и EXAFS, позволяющие исследовать электронную структуру и локальное окружение атомов. Для наноматериалов это имеет особое значение, поскольку традиционные методы часто не дают достаточной информации о неупорядоченных и дефектных структурах.
Раман- и ИК-спектроскопия на базе СР. Использование синхротронного инфракрасного излучения позволяет исследовать вибрационные состояния молекул в наноструктурированных системах. В отличие от традиционных ИК-источников, СР обеспечивает высокое пространственное разрешение и чувствительность к малым объёмам вещества.
Рентгеновская нанотомография. СР открывает возможность трёхмерной реконструкции внутренней структуры наноматериалов без разрушения образца. Достигается разрешение до десятков нанометров, что позволяет визуализировать пористость, границы фаз и внутренние дефекты.
Когерентная дифракционная микроскопия (CDI). Благодаря когерентности синхротронного излучения метод CDI позволяет получать изображения отдельных наночастиц и наноструктур с высоким пространственным разрешением без применения линз. Это особенно ценно для изучения объектов, где невозможно использовать традиционную электронную микроскопию.
Рентгеновская флуоресцентная микроскопия (XFM). Метод позволяет картировать распределение химических элементов в наноструктурах с высоким разрешением, вплоть до единичных наночастиц.
Одним из важнейших преимуществ СР является возможность проведения in situ и operando экспериментов.
Эффективность исследований наноматериалов на синхротронных источниках достигается благодаря сочетанию нескольких методов:
Развитие четвёртого поколения источников СР, основанных на лазерах на свободных электронах и усовершенствованных накопителях, открывает новые горизонты для нанонауки. Увеличение когерентности и сокращение длительности импульсов позволяют исследовать ультрабыстрые процессы на фемтосекундных временных масштабах. Это делает возможным наблюдение динамики электронных и структурных изменений в наноматериалах с беспрецедентной точностью.