Ny metrologisk teknik bruger stress til nanotomografi

Forskere fra Skoltech og deres kolleger i Rusland og Spanien har rapporteret en proof-of-concept demonstration af en ny strålingssikker metode til kortlægning af den indre struktur og spændingsfordeling i prøver af materialer på nanoskala, med en opløsning omkring 100 gange højere end den af ​​de aktuelt tilgængelige teknikker:røntgen- og neutrontomografi. Holdet mener, at dets 3D-stress-nanotomografi i sidste ende kan blive en standard metrologisk teknik til nanoteknologi. Undersøgelsen udkom i Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

Materialernes egenskaber ændrer sig under stress, og dette er blevet udnyttet af menneskelig teknologi fra gamle smede, der smedede metalvarer til forspændt beton, hvilket muliggør eksistensen af ​​nogle af vor tids højeste bygninger og største broer. Nu kan ingeniører, der arbejder på ultrasmå enheder, også drage fordel af stressede materialer på måder, hvoraf mange er svære at forestille sig på forhånd. Men der er en advarsel.

"For at udnytte stressede materialer har du brug for en måde at præcist fortælle, hvordan stress er fordelt på indersiden, og dermed hvordan egenskaberne vil variere på tværs af prøven," forklarede studiets medforfatter og Skoltech-professor Nikolai Brilliantov. "Dette involverer 3D-kortlægning af interne inhomogeniteter, såsom tætte pletter og hulrum, hvilket normalt udføres med tomografi."

I lighed med den velkendte CT-scanning betegner tomografi generelt metoder til at undersøge den indre struktur af et objekt skive for skive uden at beskadige det. Objektet er belyst fra mange vinkler, med den passerende stråling registreret på den modsatte side. Dette gentages for mange separate fly, der "skærer" gennem prøven, hvilket resulterer i en række 2D "skiver", senere kombineret til en komplet 3D-model via noget ret sofistikeret matematik.

De to slags tomografi, der potentielt kan hjælpe med stressbevidst nanoteknologi, er afhængige af røntgenstråler og neutroner til at screene prøven. Begge indebærer direkte strålingsfarer for personalet under drift og inducerer "sekundær" radioaktivitet på arbejdspladsen. Processen risikerer også at beskadige prøven på grund af dens gentagne eksponering for højenergistråler. Det vigtigste er, at de sensorer, der bruges til at detektere den passerende stråling, har kornstørrelser, der er for store. Det vil sige, at de gør det umuligt at opnå virkelig nano-opløste billeder. Hvad angår transmissionselektronmikroskopi, har det den principielle begrænsning, at prøverne skal være ekstremt tynde skiver.

"Vi adresserer alle disse mangler og åbner vejen for fremtidige nanoteknologiske anvendelser ved at demonstrere en ny slags tomografi, der giver omkring 100 gange højere opløsning og ikke bruger farlig stråling, hvilket undgår både sundhedsproblemer og skader på prøven," sagde Brilliantov. .

Kernen i stress-nanotomografi er fænomenet piezoelektricitet:Nogle materialer akkumulerer elektrisk ladning, når de udsættes for mekanisk stress. Kendt som piezoelektriske materialer omfatter disse en underklasse kaldet ferroelektrik, for hvilken stress-til-elektricitet-konverteringen er særlig udtalt. Sidstnævnte blev brugt som prøver til analyse i undersøgelsen, men ifølge holdet skulle den nye stresstomografi også fungere på andre faste materialer, men i så fald skulle ferroelektrik spille en hjælperolle.

Her er hvordan proof-of-concept-systemet fungerer. En metalnål glider hen over overfladen af ​​et ferroelektrisk materiale mange gange i forskellige retninger og presser ned med varierende kraft. Alt imens det varierende elektriske felt produceret af materialet under tryk registreres som elektriske strømimpulser induceret i metalspidsen. Da det målte elektriske felt er direkte relateret til materialets lokale tæthed på et givet punkt, er det muligt at rekonstruere prøvens indre struktur og dens spændingsfordeling ud fra disse data.

At rekonstruere 3D-strukturen ud fra de indsamlede tomografidata er kendt for at løse det omvendte problem, og det er langt fra trivielt. "Dette er første gang, det omvendte problem er blevet løst for et piezoelektrisk materiale," kommenterede undersøgelsens medforfatter og Skoltech Research Scientist Gleb Ryzhakov. "Først skulle vi lave en model, der forklarer, hvad der rent faktisk sker med hensyn til fysik, når metalspidsen glider hen over prøveoverfladen. For det andet kom vi med de matematiske værktøjer til at løse det omvendte problem. For det tredje udviklede vi en anvendt software suite til gendannelse af tomografibilleder fra de optagne strømsignaler."

Ifølge holdet vil en af ​​måderne at forbedre teknikken i fremtiden være ved at udvide rækken af ​​materialer, hvis indre makeup kan studeres til at omfatte ikke-piezoelektriske faste stoffer. "Det er et spørgsmål om sofistikeret teknik:Forudsat at vi kan fremstille en meget tynd, men holdbar piezoelektrisk film, kunne vi lægge den mellem metalspidsen af ​​tomografen og prøven. Teoretisk burde den så virke på vilkårlige materialer, men de elektriske feltmålinger bliver nødt til at være meget præcis," tilføjede Ryzhakov.

"Vi forventer, at sådan stress-nanotomografi i fremtiden vil blive rutinemæssigt indarbejdet i adskillige stress-baserede nanoteknologier," konkluderede Brilliantov. + Udforsk yderligere

Nogle piezoelektriske materialer kan være "falske"