ИСТИНА

Описать структуру почв на наномасштабе для моделирования процессов транспорта флюидов

The proposed project is aimed at solving scientific problems of studying the internal structure of soils at the nano-scale. Within the Project, fundamental experimental and theoretical computational research will be carried out: 1) Obtaining 2 / 3D images of the nanostructure of the studied soils with 4-5 nm resolution; 2) Study of the distribution of chemical elements on nano-scale and mapping of mineralogical composition and organic matter in 2D slices; 3) Study of the dynamics of nano-porosity in soils during swelling-shrinkage; 4) Determination of the morphology and connectivity of nano-pores in soils; These new data and developed methods potentially make it possible to solve a whole range of key problems, to understand and explain many processes that are observed at the micro and macro levels (from µm to cm): dynamics of soil structure in moisture-drying cycles, dynamics of microbiological processes and their relationship with the structure and the chemical composition of the soil, the availability of nutrients and water / air for the passage of various biological and chemical processes, among many others. It is difficult to overestimate the relevance of the problem of this study: obtaining reliable information about the structure of the soil is currently a significant problem in any area where the study of nanostructure takes place. Thus, most of the existing approaches provide very general (integral) information about the structure (small-angle scattering, nuclear magnetic resonance, porosimetry, etc.) or destructive (thin sections), can change the structure of the sample (SEM, thin sections, porosimetry) or give solution of the inverse problem with insufficient data (small-angle scattering, nuclear magnetic resonance, porosimetry), or based on the initially incorrect physics of the process (determination of the pore size by water retention curve). At the same time, accurate data about the structure of soil samples at the nano-level are required to study/model the behavior of residual water, mass transfer and vital activity of bacteria, desorption and diffusion of gases, and many other processes. These processes determine soil fertility critical for humanity, the gas diffusion into the atmosphere, the response and stability of soil systems to climate change. We note that the specific tasks proposed for solution within the framework of the Project, namely systematic studies of the nano-structure of soils and chemical composition using FIB-SEM, studies of representativeness, features of the structure of aggregates, modelling of physical properties on a nano-scale with a resolution of up to 4-5 nm never have not been conducted before. The formulated aims of the Project are complex. The Project formulates ambitious goals that could be achieved only with the use of an integrated approach that combines theoretical, computational work with the conduct of unique experimental research on the equipment of MIPT researching center, enhanced in-depth analysis and comparison of the results obtained on the basis of the developed methods. The format and complexity of the proposed Project are determined not only by the novelty of the proposed method, but by the combination of various fields of knowledge and techniques to develop a whole new direction - a detailed study of the nano-structure of soils and its integration into digital models. The project will unite the efforts of researchers working in different fields of science and technology - from soil scientists to physicists and materials scientists, and the results should be of interest to a wide circle of soil scientists.

В рамках Проекта предполагается разработать универсальный подход для исследования структуры почв на наномасштабе за счет использования технологии FIB-SEM. Работы по Проекту сочетают методические и экспериментальные направления, которые органично дополняют друг друга и могут быть сформулированы в виде отдельных конкретных задач: 1) Одной из основных задач является наработка и шлифовка методики исследования структуры и распределения химических элементов на нано-масштабе с помощью FIB-SEM технологии. Эта задача включает в себя не только получение 2/3D изображений наноструктуры исследуемых почв с разрешением до 4-5 нм, но и обеспечение их качества за счет уменьшения влияния различных артефактов (переноса вещества, появления эффектов «полоски» за счет заряда на поверхности исследуемого образца, конволюция сигнала с разной глубины в образце, которая зависит от использования вторичных или отраженных электронов и т.п.). Отдельно стоит проблема обработки и сегментации изображений FIB-SEM, для которых не подходят методики, разработанные для КТ изображений. Наиболее вероятным решением проблемы видится использование полуручного подхода, который несмотря на трудоемкость позволит создать библиотеку размеченных данных (что в будущем позволит использовать методы машинного обучения для обработки изображений). Сюда же можно отнести решение проблемы быстрого и точного определения состава (сегментация минеральных и органических фаз) в каждом срезе. 2) Исследовать с помощью отработанной методики значительный объем различных российских почв (как естественных, так и сельскохозяйственных) в разных генетических горизонтах. Создать богатую библиотеку изображений, необходимых в будущем для решения конкретных научных проблем, тренировки методов машинного обучения для обработки изображений, расчета физических свойств, оценки репрезентативности и т.д. 3) Опробовать возможность исследования влияния влажности почвы на наноструктуру и распределение флюидов в нано-порах. Это можно сделать за счет изменения влагосодержания при неполном вакууме и FIB-SEM резки ионным пучком в криоподготовленном образце. 4) Разработать методы описания морфологии и строения почв на наноуровне на основе модифицированного формфактора Скворцовой (впервые будет реализован полный форм-фактор для 2D и 3D изображений) и корреляционных функций. Это позволит количественно проанализировать все полученные в Проекте изображения. Таким образом, наша цель - заложить прочный фундамент исследования почв в наномасштабе на основе метода FIB-SEM. Значительный масштаб сформулированных задач Проекта обусловлен нарастающей необходимостью и универсальностью предлагаемой к разработке методики, необходимой для решения научных и прикладных задач физической, химической, биологической дисциплин в почвоведении. Решение поставленных задач должно внести существенный вклад в понимание природы строения почв на наноуровне и создать верификационную базу для непрямых и стохастических методов, что позволит значительно увеличить скорость построения и точность многомасштабных цифровой модели почвенного строения в будущем. Решение сформулированных выше конкретных задач также позволит перейти к решению более частных фундаментальных проблем. Так, в рамках предлагаемого Проекта, мы планируем ответить на следующие вопросы: а) Можно ли говорить о раздельном существовании агрегатов почвы в структурном и химическом смысле? б) Можно ли исследовать биологические почвенные объекты такие как, например, biofilms и эксудаты непосредственно внутри почвенной структуры? в) Как влажность влияет на наноструктуру почвы, можно ли это увидеть с помощью FIB-SEM? Можно ли исследовать распределение влаги в нано-пористости с помощью крио-подготовки перед FIB-SEM исследованием? Ожидается, что разработка предлагаемых методов и проведение запланированных исследований позволит пролить свет на многие почвенные процессы и функции, интегрировать нано-структурную информацию в цифровые модели строения почв. Все эти достижения в будущем позволят перейти на принципиально новый уровень моделирования физических свойств почв и почвенных процессов, а также их отклик на сельскохозяйственную деятельность человека и изменения климата. Такие технологии потенциально позволят в будущем значительно повысить урожаи сельскохозяйственных культур, в том числе с учетом изменения климата, а так же сократить издержки за счёт оптимизации применения удобрений и непродуктивных потерь влаги. Полученные фундаментальные знания, таким образом, могут быть встроены в уже классические методы мониторинга и прогноза в сельском хозяйстве.

У коллектива имеется достойный задел в области предлагаемого Проекта. Отдельно отметим, что мы начали работать с цетром нанотехнологий МФТИ в конце 2020 года и нами в 2021 году была опубликована первая статья по использованию FIB-SEM в почвоведении. 1) Были отработаны методы сегментации FIB-SEM изображений в полу-ручном режиме. Мы показали, что использование сверточных нейронных сетей для обработки изображений почв на КТ-сканах может быть точным и быстрым. Эта же архитектура или ее модификации будут использованы в будущем для обработки изображений FIB-SEM, если мы создадим в рамках предлагаемого Проекта библиотеку размеченных изображений. 2) Мы уже отработали использование свёрточных нейронных сетей для обработки изображений почв на КТ-сканах . Эта же архитектура или ее модификации будут использованы нами для обработки изображений FIB-SEM. 3) Нами были отработаны методы исследования структуры почв на разных масштабах с помощью разномасштабного КТ-сканирования и классического РЭМ. 4) Нами были отработаны методы описания структуры почв на основе многофазных корреляционных функций. 5) Мы разработали методы описания и сжатия данных о структуре почв на основе корреляционных функций и их параметризации. 6) Нами были разработаны оригинальные методики выделения сеточных моделей и морфологического анализа пор. Мы также впервые предложили параметризацию таких моделей на основе машинного обучения. 7) В рамках международного проекта были отработаны методики моделирования механических свойств агрегатов и совмещения механических и гидравлических моделей в масштабе пор. 8) В рамках научные проектов от РФФИ была детально изучена микроструктура суглинистых почв зонального ряда, нано-структуру которых мы собираемся изучать в заявляемом Проекте (РФФИ 18-34-20131, РФФИ 16-04-00949, РФФИ 19-04-01056). 9) Нами было описано влияние микроструктурной организации на устойчивость макроструктуры (http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.115771).