Способы исследования продуктов воздействия лазерного              излучения на минеральные образцы

С.И. Кравченко1, Г. Г. Капустина1, Н.А. Леоненко2
1Тихоокеанский государственный университет (г.Хабаровск)
2Институт горного дела ДВО РАН (г.Хабаровск)
g.kapustina@mail.ru

В последнее время много внимания уделяется развитию нанонаук, основой которых является изучение зависимости свойств вещества от его размеров. Свойства нанообразований отличаются от свойств их макроскопических аналогов.
Достижения современной лазерной физики широко используются и в области фундаментальных исследований, и при решении многих прикладных задач. Лазерное излучение позволяет обеспечивать большие скорости локальных изменений температуры в веществе порядка 1010 К∙с-1 и градиенты температуры до 107 К∙см-1, что приводит к сильному взаимодействию тепловых, концентрационных, зарядовых и других потоков. 
В нашей работе изучены результаты экспериментов по воздействию лазерного излучения на золотосодержащие минералогические образцы с месторождения «Кремень» ОАО старателей «Дальневосточные ресурсы» и с глубокозалегающей россыпи месторождения руч. Гайфон. Для изучения свойств были применены атомно-силовая и электронная микроскопия, проведен рентгеноспектральный микроанализ. Образы исследованы до лазерной обработки и после нее.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) позволяет получать информацию о строении поверхности, определять деформационные, прочностные и релаксационные свойства индивидуальных макромолекул. Принцип работы АСМ заключается в силовом взаимодействии специального зонда (кантилевера) и исследуемой поверхностью. Атомно-силовой микроскоп снабжен оптической видеосистемой (с ПЗС-матрицей), что позволяет с субмикронной точностью осуществлять выбор участка сканирования.
Для исследования структурных особенностей строения золотосодержащих минералогических образцов использовался сканирующий зондовый микроскоп Интегра Прима, с применением полуконтактных методов сканирования кантилевера типа NSG11 с максимальным разрешением 20-30 нм при резонансной частоте колебаний 226 кГц.
Контактным методом АСМ изучены рельефы поверхностей, измерены отдельные структуры и положения границ раздела в исходных образцах. С использованием метода определения локальной жесткости образцов была измерена среднеарифметическая шероховатость образований золота по всей поверхности сканирования, что позволило установить их кластерное строение. Топографические изображения указывают на различие кластеров по размерам и по форме, которая может быть как шарообразной, так и эллипсоидальной (рис. 1). 
Выявлены на масштабе нанометров рельефные и структурные особенности кластерного строения микронных частиц золота, соответствующих различным природным образованиям, характерным для каждого месторождения.
 а	 б	
в	
Рис. 1. – Сканограммы поверхностей золотосодержащих образцов: 
а - россыпь ручья Феникс, б - тонкопластинчатое золото, 
в - глина с россыпи реки Гайфон с добавлением коллоидного золота	

Выявлено, что характерные размеры кластеров колеблются от 10 нм до 400 нм (рис. 2). 

Рис. 2. – Изображения микроскопических форм золота, полученные атомно-силовой микроскопией	
 	 	 
С помощью АСМ были получены снимки фазового контраста и кластерной структуры поверхности модельного алюмосиликатного золотосодержащего образца с искусственно введенным коллоидно-ионным золотом после лазерной обработки (рис.3). 

а	б	
Рис. 3. –  Изображение фазового контраста и кластерной структуры поверхности спека модельного золотосодержащего образца	                                                                                   
 При исследовании площади сканирования (5×5 мкм) обнаружены группы агломераций с центрами вокруг точечных пиков.  При этом центры ячеек совпадают с центрами на снимках фазового контраста. Установленная связь, таким образом, свидетельствует о самоорганизации золота. Размеры кластеров варьируются от 0,4 мкм до 1,4 мкм в диаметре. Это вполне закономерно, учитывая неоднородное воздействие лазерного излучения. Во время лазерной обработки кластерная структура в исходных образцах разрушается, а затем образуется новая.
Элементный анализ минералов, входящих в исходные составы исследуемых образцов, изучение структурных и элементных химических изменений при лазерных воздействиях проведено на растровом электронном микроскопе “LEO EVO 40HV” (Карл Цейс, Германия), оснащенном ЭДС “INCA-ENERGY”. При съемке изучаемых объектов использовался детектор вторичных электронов (SE-детектор), позволяющий получить информацию о топографии образца. Дополнительно к SE-детектору использован детектор обратно рассеянных электронов (QBS-детектор). Информация о качественном и количественном распределении химических элементов в исследуемых минералогических объектах получена локализацией зондирующего пучка электронов в область диаметром 20 ~ 30 нм с глубиной проникновения ~ 1 мкм.
С помощью электронного микроскопа были получены микрофотографии поверхностей исходных образцов (рис. 4а) и выполнен элементный анализ этих образцов (рис. 4б).   

а	б	
Рис. 4. Электронная микрофотография: а – поверхности исходного минерального образца, б – структура исходного образца 	

Основу исследуемых минеральных ассоциаций составляют силикаты с незначительными примесями других веществ: железо, титан, ртуть, алюминий. В образцах присутствует значительная доля циркона – минерала-спутника золота. 
После лазерной обработки образцы представляли собой силикатные спеки с неоднородной поверхностью (рис. 5). 

Рис. 5. –  Электронная микрофотография силикатных спеков	

Рис. 6. –  Электронная микрофотография структуры силикатного спека	

При исследовании элементного состава спеков было установлено, что в обработанных образцах золото содержалось в виде шарообразных образований размером до 100 мкм без примесей на поверхности (рис. 6). Это позволяет сделать вывод, что при воздействии лазерного излучения на исследуемые минеральные ассоциации, происходит объединение частиц золота в шарообразные агломераты с типичными размерами до 100 мкм.
Кроме микроскопических методов исследования проведены исследования образцов рентгенофазовым методом при различных мощностях лазерного воздействия. В основе рентгеноструктурного анализа (РСА) лежит дифракция рентгеновских лучей от серии атомных плоскостей кристаллической решетки исследуемого материала. Рентгенодифракционный спектр (положение рефлексов по углу дифракции и их интенсивность) являются индивидуальными для каждого кристаллического вещества, следовательно, этот метод является надежным способом идентификации поликристаллических веществ. 
В нашем случае рентгеноструктурные исследования поверхности образцов проводились с помощью дифрактометра ДРОН-7 (НПП «Буревестник). Напряжение трубки – 40 кВ, ток накала катода – 20 мА. В дифрактометре ДРОН-7 сигналы обрабатываются в автоматическом режиме, и спектр выводится через компьютер на монитор. Диапазон углов (2) составляет от -100 до +165. Минимальный угол поворота образца и детектора – 0,005. Площадь поверхности, освещаемой рентгеновским излучением, изменяется в зависимости от угла поворота образца и составляет порядка 0,1 см2 (на больших углах) - 1 (на малых углах) см2.
Исследование проводилось с исходными минеральными образцами и спеками, полученными после лазерной обработки с разной мощностью (60, 90, 120 Вт). При исследовании дифрактограмм, видно, что в исходном образце основные пики соответствуют кварцу SiO2, в небольшом количестве присутствуют сложные оксиды алюминия, кальция, железа и кремния (рис. 7а);

Рис. 7  – Дифрактограмма: а – исходного образца, б – спека после лазерного воздействия мощностью 120 Вт	
После лазерной обработки при мощности излучения, интенсивность пиков уменьшается и часть пиков исчезает, базисная линия становится шире (рис.7б).
Изучение направленного изменения свойств природных дисперсных золотосодержащих минеральных объектов при лазерной термоактивации методами электронной, атомно-силовой микроскопии, а также рентгенофазового анализа показало, что по мере увеличения мощности энергетического лазерного воздействия образуются поверхностно неоднородные минеральные структуры достаточно правильной сферической формы из глинистых, алюмосиликатных частиц. Выявленные изменения позволяют предположить, что лазерную обработку можно применять в качестве предварительного этапа обогащения золотоносной руды, которая ранее была непригодной для использования.
Электронная микроскопия, АСМ и РСА необходимы для исследования структуры исходных образцов и для исследования быстропротекающих процессов, происходящих в минералогических образцах в результате воздействия на них мощного лазерного излучения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Капустина, Г. Г. Исследование нелинейных эффектов при взаимодействии лазерного излучения с горными породами и минеральными средами / Г. Г. Капустина, Н. Л. Швец, Н. А. Леоненко, // Вестник Тверского государственного университета. Серия Физика. – Вып. 19. – С. 22-30.
2. Ванина, Е.А. Исследование процессов лазерной агломерации ультрадисперсного и коллоидно-ионного золота / Е.А. Ванина, А.А. Гальцов, Н.А. Леоненко, Г.Г. Капустина // Перспективные материалы. Спецвыпуск (13) 2011. Материалы XI Российско-Китайского Симпозиума “Новые материалы и технологии”. – Т.1. – 10-14 октября 2011 г. – Санкт Петербург: Интерконтакт Наука, Москва, Россия. – С. 144-148.