لقد أظهر العلماء الروس كيف تعمل التربة السوداء على المستوى النانوي

التربة هي جسم طبيعي تاريخي فريد من نوعه يجمع بين المكونات الحية ومنتجاتها الأيضية والمعادن. يتميز ملف تعريف التربة بخصائص فريدة، حيث تُخصص دراستها لعلم منفصل – علم التربة. يقوم العلماء بفحص التربة في مجموعة متنوعة من مستويات التنظيم، من الحقول إلى الهياكل المجهرية، ويصفون عمليات محددة في كل منها. تعتبر طريقة التصوير المقطعي المحوسب مناسبة لدراسة أصغر التفاصيل؛ مبادئه هي نفس مبادئ التصوير المقطعي الطبي. بشكل أساسي، يتم التقاط صور متعددة للأشعة السينية لإعادة بناء البنية ثلاثية الأبعاد للتربة، بما في ذلك شبكة من المسام الصغيرة المترابطة. ومع ذلك، حتى هذه الطريقة المتقدمة لها حدودها: فهي تسمح لك فقط برؤية المسام الكبيرة “الطرق السريعة”، ولكن ليس الفراغات الأصغر التي تشكلتها عمليات التربة الأخرى. ومن الواضح أن علماء التربة بحاجة إلى أساليب جديدة لهذا الغرض، وقد تم اختبار إحداها من قبل علماء من MIPT، جامعة موسكو الحكومية. م.ف. لومونوسوف، معهد التربة الذي سمي على اسمه. في. Dokuchaev ومعهد فيزياء الأرض الذي سمي على اسمه. يا يو. شميدت راس. هذا هو استخدام شعاع الأيونات المركزة مع المجهر الإلكتروني الماسح (FIB-SEM). في جوهره، هو عبارة عن مزيج من “مشرط” فائق الدقة ومجهر قوي: شعاع أيوني مركّز يقطع حرفيًا طبقة تلو الأخرى من التربة، مما يفضح البنية الداخلية. بعد ذلك، “يرى” المجهر الإلكتروني الماسح تفاصيل سطحية دقيقة يقل حجمها عن ميكرون واحد، أي بدقة دون الميكرون. تم دعم العمل من قبل مؤسسة العلوم الروسية (المنحة رقم 23-74-00061) وتم نشره في مجلة “نشرة جامعة موسكو. الحلقة 17. علوم التربة”. كان الهدف من الدراسة هو عينة من التربة الأكثر خصوبة في روسيا – تشيرنوزيم من محمية الأرض السوداء المركزية. تمت مقارنة FIB-SEM مع التصوير المقطعي المحوسب، والذي يستخدم تقليديًا لمثل هذه المهام. في المرحلة الأولى، تم إنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد لجسيمات التربة (الكتلة) بدقة ميكرومتر واحد باستخدام التصوير المقطعي. ولفصل الفراغات عن المكونات الصلبة، استخدم العلماء خوارزميات تجزئة الصور بالكمبيوتر. ثم تم استخدام “المشرط” الأيوني: حيث قامت شعاع من ذرات الغاليوم المتأينة بقطع “خندق صغير” في التربة، مما أدى إلى كشف طبقاتها الداخلية. بعد ذلك، التقط المجهر الإلكتروني صورًا بدقة تصل إلى أربعة نانومتر. نظرًا للتعقيد العالي للسطح الناتج (الطين والمواد العضوية)، تم تحديد حدود المسام يدويًا، مما يضمن أقصى قدر من الدقة. أظهر العمل أن التصوير المقطعي وFIB-SEM يرىان التربة بشكل مختلف: أحدهما يعطي مخططًا عامًا، والآخر يعطي رؤية “كلية” لأصغر التفاصيل. يعمل التصوير المقطعي المحوسب بدقة ميكرون، بينما يرى المجهر الأيوني الأيوني (FIB-SEM) أجسامًا صغيرة يصل حجمها إلى 0.075 ميكرون (75 نانومتر). بالإضافة إلى ذلك، تصف الطريقة الثانية نطاقًا أوسع من المقاييس: فهي تلتقط المسام النانوية والفراغات الكبيرة. واكتشف الباحثون أيضًا ميزة مهمة لهذه الطريقة، وهي أنها ممتازة في تمييز المواد العضوية ضمن تجمعات التربة. تظهر المادة العضوية في الصور الفوتوغرافية على شكل بقع رمادية موحدة بحجم 1-10 ميكرون. وإذا كانت هذه الأجزاء تندمج عمليًا مع الخلفية في التصوير المقطعي بالكمبيوتر، فإن المجهر الأيوني يسجل حدودها بوضوح. علاوة على ذلك، تظهر مسام التربة في التصوير المقطعي مستديرة، بينما في FIB-SEM يظهر عدد كبير من الشقوق والمسام الوعرة والمطولة. على ما يبدو، هذه الشقوق الصغيرة هي التي تشكل أساس “متاهة التربة” عند أدنى مستوى. وهذا ما يفسر كيف تحتفظ التربة السوداء بالرطوبة وتسمح للهواء بالدخول. ومع ذلك، نظرًا لمجال الرؤية الضيق جدًا (حوالي 30 × 50 ميكرون)، فإن استخدام FIB-SEM وحده لا يكفي. ولذلك، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن التكنولوجيا التي تم اختبارها لا تحل محل التصوير المقطعي، على الرغم من أنها تكمله تماما. معًا، يمكن للطريقتين إنشاء خريطة كاملة ثلاثية الأبعاد للتربة، بدءًا من الهياكل الكبيرة وحتى أصغر الجزيئات العضوية، مما يجعل الفهم التفصيلي لعمليات التربة ممكنًا. يفتح هذا المزيج من التقنيات آفاقًا جديدة في دراسة كيفية إنشاء خصوبة التربة الشهيرة والحفاظ عليها. “طبق فريقنا لأول مرة طريقة الفحص المجهري للقطع الأيوني على التربة في عام 2021، مما أتاح الحصول على أول بيانات دقيقة عن بنيتها النانوية. الآن، بناءً على هذه النتائج، نقوم بتطوير سلسلة من النماذج على المستوى الجزيئي والمسام. إنها ضرورية لوصف ديناميكيات البنية، وكذلك الترشيح وخصائص التربة الأخرى على مستويات مختلفة. تم الحصول على الصور في مركز الاستخدام المشترك MIPT. سنواصل دراسة السمات الهيكلية للتربة العضوية المعدنية. وعلق كيريل جيركي، مدير العلوم في مركز الفيزياء الحاسوبية في LPI MIPT، على المركبات على المستوى النانوي، بما في ذلك بالتعاون مع زملائه علماء التربة من معهد Dokuchaev لعلوم التربة. وهذا سيجعل من الممكن الانتقال إلى نماذج متعددة النطاق لبنية التربة ووصف عمليات التجميع – فهي ضرورية للاستخدام المستدام للأراضي وزيادة خصوبة التربة.