Российские и испанские ученые экспериментально подтвердили работоспособность концепции нанотомографии давления — нового метода отображения внутренней структуры наноматериалов с учетом распределения их плотности. Разрешение нового метода почти на два порядка выше, чем у используемых сегодня рентгеновской и нейтронной томографии. Статья опубликована в журнале Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
Под давлением свойства материалов меняются — на этом основаны многие технологии. Теперь ученые стремятся найти применение «напряженных материалов» в сверхмалых устройствах. Однако чтобы воспользоваться напряженными наноматериалами, нужно знать, как именно в том или ином образце распределено внутреннее напряжение. Для этого картируют внутренние неоднородности, в частности уплотнения и пустоты. При внедрении напряженных материалов в нанотехнологии можно было бы воспользоваться томографией на базе рентгена или нейтронов, но эти методы не дают картинку с высоким наноразрешением, так как сенсоры не могут улавливать такое излучение на выходе из образца с достаточной точностью. Кроме того, эти методы сопряжены с радиационным риском для персонала. Более того, воздействие нейтронов и рентгеновских фотонов может повредить и сам образец.
«Мы устраняем все эти недостатки и открываем дорогу к новым приложениям в нанотехнологиях, подтверждая работоспособность концепции нового вида томографии, который обеспечивает почти в сто раз более высокое разрешение и не использует опасной радиации, что безопаснее и для персонала, и для образцов», — прокомментировал соавтор исследования Николай Бриллиантов.
Нанотомография давления основана на явлении пьезоэлектричества: некоторые материалы, называемые пьезоэлектриками, при механической деформации порождают электрическое поле. У подкласса ферроэлектриков этот эффект преобразования механического напряжения в электричество особенно ярко выражен, и именно такой материал использовался в качестве образца.
В процессе нанотомографии металлическая игла многократно проходит по поверхности образца в разных направлениях и с разной степенью нажима, считывая возникающее под давлением электрическое поле. Поскольку характеристики поля связаны с локальной плотностью материала, из полученных данных можно извлечь внутреннюю структуру образца и распределение давления в нем. Для определения трехмерной структуры образца по данным томографии ученые создали физическую модель, разработали математические методы и комплекс компьютерных программ для преобразования записанных электрических сигналов в итоговый томографический 3D-снимок.
По словам ученых, один из вариантов развития метода в будущем — сделать, чтобы он работал не только на пьезоэлектриках, но и на других твердых образцах. Если изготовить достаточно тонкую и прочную пластину из пьезоэлектрика, то ее можно будет проложить между иглой томографа и изучаемым образцом.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
