КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2004, том 49, № 3, с. 407-417
ДИФРАКЦИЯ И РАССЕЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
УДК 537.533.35 + 532.78
Посвящается памяти З.Г. Пинскера
ПРИМЕНЕНИЕ ВРЭМ-МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ КРИСТАЛЛОВ ГИДРОКСИАПАТИТА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
РАЗОРИЕНТАЦИИ ЗЕРЕН
© 2004 г. Е. И. Суворова, П. А. Стадельманн*, Ф.-А. Буффа*
Институт кристаллографии РАН, Москва E-mail: suvorova@ns.crys.ras.ru *Центр электронной микроскопии, Федеральный Технологический институт Лозанны, Швейцария.
Поступила в редакцию 16.06.2003 г.
Высокоразрешающая просвечивающая электронная микроскопия (ВРЭМ) и моделирование ВРЭМ-изображений методом блоховских волн по программе JEMS применены для исследования структуры и определения толщины синтезированных из водных растворов микро- и нанокристал-лов гидроксиапатита и биоминералов. Установлено, что тонкие кристаллы толщиной от одного до трех параметров решетки обычно образуются в низкотемпературных растворах (до 40°C), включая кристаллы гидроксиапатита в минерализованных биологических тканях. Относительно толстые кристаллы, достигающие несколько десятков параметров решетки в толщину, могут образовываться только в высокотемпературных водных растворах (около 95°C). Моделирование показало, что кристаллы толщиной более одной элементарной ячейки состоят из нанозерен, разориентирован-ных друг относительно друга в разных направлениях в интервале значений углов 0.7°.
ВВЕДЕНИЕ
Сравнительная характеризация структуры и морфологии кристаллов гидроксиапатита, осаждаемых в результате химической реакции между ионами кальция и фосфат-ионами в водных растворах при разных условиях, имеет важное значение как для понимания механизма роста кристаллов, включая биоминерализацию, так и для оптимизации производства синтетических биоматериалов. ВРЭМ позволяет исследовать структуру материала в нанометровых областях с помощью фурье-преобразования изображений. Полученные дифрактограммы (FFT) содержат информацию о кристаллической решетке и ориентации образца. Проведение моделирования ВРЭМ-изображения для известной кристаллической решетки и данной оси зоны дает возможность определить структуру образца уже в субнанометровом диапазоне, а также определить размеры в трех направлениях, что уже позволяет проследить механизм роста кристалла.
Характерной особенностью морфологии кристаллов гидроксиапатита является сильная анизотропия формы в виде тонких пластинок, вытянутых вдоль направления [0001]. Два параметра (длина и ширина) достаточно легко могут быть определены на электронно-микроскопических изображениях. Третий параметр - толщина кристаллов - прямо и точно не может быть определен
на микрофотографиях. Например, практически невозможно ориентировать отдельные кристаллы, расположив их большую грань точно параллельно пучку с тем, чтобы оценить наименьший размер. Кристаллы в таком положении сильно заряжаются, начинается дрейф образца и его деформация, индуцированная облучением. Таким образом, остается классическая альтернатива оценки толщины при ориентации кристалла "в плане". Однако применение таких методов, как толщинные контуры, стереосъемка или электронная дифракция в сходящемся пучке [1, 2], не представляется возможным в наблюдаемом интервале толщин (несколько нанометров), характерных для осаждаемых кристаллов гидроксиапа-тита. Определение толщины с помощью анализа интенсивности рентгеновских энергодисперсионных спектров [3] также не может быть осуществимо из-за изменений кристаллической решетки в результате радиационных повреждений сведенным пучком.
Таким образом, одним из наиболее информативных и наименее деструктивных методов определения толщины в случае тонких кристаллов гидроксиапатита является моделирование ВРЭМ-изображений и сравнение их с экспериментальными данными для установления наилучшего соответствия для заданной толщины объекта. В наших предыдущих работах при идентификации
кальций-фосфатных соединений толщины кристаллов уже определялись подобным образом [46]. Однако моделирование некоторых изображений или отдельных участков на изображениях не дало хорошего соответствия с экспериментальными данными. Причиной этому были сильная чувствительность кристаллов к облучению электронами, изгиб кристаллов, а также их блочная структура, что затрудняло в значительной степени устанавливать точную ось зоны. Все это потребовало ввести новые параметры для расчета изображений и прежде всего отклонение от точной оси зоны из-за возможной разориентации зерен в структуре или изгиба кристалла. Таким образом, кроме трех необходимых параметров (кристаллическая структура, толщина объекта и значение дефокуса) следует учитывать ориентацию кристалла (амплитуда и азимут). Для установления наилучшего соответствия при моделировании принимались во внимание также дрейф образца и вибрации. Корректировка астигматизма проводилась непосредственно в процессе электронно-микроскопического исследования.
В настоящей работе продемонстрированы большие возможности усовершенствованной программы моделирования для описания довольно сложных ситуаций, возникающих при интерпретации ВРЭМ-изображений многоатомной элементарной ячейки большого размера, Ca10(OH)2(PO4)6, включающей значительное число легких атомов. Сделанные оценки толщины образующихся ("as-grown") кристаллов вплоть до одного параметра решетки и выявленная субнаноструктура показывают, что установление механизма роста тонких кристаллов через определение их морфологии и структуры с помощью ВРЭМ оправдано, поскольку позволяет работать на уровне, близком к атомному.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Кристаллы гидроксиапатита получали осаждением из разбавленных водных растворов в результате химической реакции между хлоридом кальция и дигидрофосфатом калия при pH = 5.57.5 и температуре Т = 25-95°C, при различных скоростях смешивания исходных растворов [4-6]. Осажденные кристаллы промывали в дистиллированной воде, высушивали и для исследования переносили на электронно-микроскопические медные сетки, покрытые углеродной пленкой без дополнительного утончения, поскольку кристаллы оказались достаточно тонкими для электро-нографического анализа и получения хороших ВРЭМ-изображений.
Приготовление биообразцов, таких как минеральный осадок на сердечных клапанах, было таким же, как и для синтезированных в водных растворах. Образцы костной ткани (кости конечнос-
тей быка и отломки костей разных отделов позвоночника человека из-за переломов) промывались в растворе хлорида натрия в течение нескольких дней, высушивались, после чего образцы размером около 2 х 2 х 2 мм заливались эпоксидной смолой с проникновением последней в поры образца. Методом ультрамикротомии с помощью алмазного ножа при комнатной температуре получали тонкие срезы (50-70 нм) затвердевшего композита. Следует отметить, что ни один образец не покрывался углеродом или металлической пленкой, так же как не проводилось специального контрастирования, чтобы не вносить артефакты при электронографическом анализе и интерпретации ВРЭМ-изображений.
Исследование проводилось в электронном микроскопе высокого разрешения Philips CM300UT FEG. Изображения получали с помощью камеры CCD Gatan797 (1024 х 1024 pixels х 14 bits). Компьютерная программа DigitalMicrograph 3.6.1 применялась для количественной обработки экспериментальных изображений.
Анализ и интерпретация электрондифракци-онных картин и ВРЭМ-изображений проводились путем их моделирования с помощью пакета программ JEMS (Java Electron Microscopy Simulation) [7] для гексагональной кристаллической решетки гидроксиапатита P63/m с параметрами a = 0.942 и с = 0.688 нм [8].
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВРЭМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО ПРОГРАММЕ JEMS
JEMS [7] является многофункциональной компьютерной программой для расчета ВРЭМ-изображений (с помощью блоховских волн и по многослоевому методу), электрондифракционных картин (монокристаллических, поликристаллических, дифракция в сходящемся пучке) в рамках кинематической и динамической теории, передаточной функции для всех типов микроскопов и построения кристаллографических моделей различных веществ (в прямом и обратном пространстве, стереографические проекции и трехмерные изображения). По сравнению с предыдущей программой моделирования EMS [9] настоящая версия, написанная на языке Java, отличается новым пользовательским графическим интерфейсом и возможностью изменения любого параметра образца или изображения в любой момент времени. Задавая необходимые параметры, фактически можно наблюдать, например, изменения ВРЭМ-изображений в реальном времени. Важным преимуществом JEMS является высокая скорость вычислений, а также новые возможности в интерпретации результатов, связанные с эффектами дрейфа, колебаний, наклона образцов, астигматизма и смещения изображения. В случае исследования состава в многофазных системах JEMS
(а) (б)
.. -*.
10 нм-1
I_I
Рис. 1. Влияние наклона образца на вид электронной дифракционной картины: образец ориентирован точно вдоль оси зоны [100] без наклона с СЬС в 0,0,0 (а); образец расположен под углом 0.66° к направлению [100] с СЬС в 0,0,-4.02, ближайшая ось зоны [60, 0, -1] (б).
позволяет провести анализ электронограмм и идентификацию фаз сразу для значительного количества соединений. Например, для подтверждения фазы гидроксиапатита каждая полученная электронограмма сравнивалась с рассчитанными картинами для 15 возможных кальций-фосфатных модификаций.
Таким образом, программа JEMS использовалась для моделирования картин электронной дифракции, ВРЭМ-изображений и дифрактограмм от них. Моделирование ВРЭМ-изображений проводилось следующим образом: вносились параметры, характерные для определенного типа микроскопа (например, Philips CM300UT FEG):
- ускоряющее напряжение 300 кВ,
- коэффициент сферической аберрации 0.65 мм,
- коэффициент хроматической аберрации 1.2 мм,
- разрешение при шерцеровской дефокусировке (45 нм) 0.17 нм,
- расходимость пучка электронов (половинный угол освещения) 0.8 мрад,
- отклонение распределения значений фокуса 4.0 нм.
Параметры для получения изображений - начальное значение дефокуса, шаг в изменении и набор значений дефокуса, размер рассчитан
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.