Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare från Skoltech och deras kollegor i Ryssland och Spanien har rapporterat en proof-of-concept-demonstration av en ny strålningssäker metod för att kartlägga den inre strukturen och spänningsfördelningen i prover av material på nanoskala, med en upplösning som är cirka 100 gånger högre än den av de för närvarande tillgängliga teknikerna:röntgen- och neutrontomografi. Teamet tror att dess 3D-stressnanotomografi så småningom kan bli en standardmetrologisk teknik för nanoteknik. Studien publicerades i Journal of the Mechanics and Physics of Solids .
Materialens egenskaper förändras under stress, och detta har utnyttjats av mänsklig teknologi från antika smeder som smider metallvaror till förspänd betong, vilket möjliggör existensen av några av vår tids högsta byggnader och största broar. Nu kan ingenjörer som arbetar med ultrasmå enheter också dra nytta av stressade material på sätt som många är svåra att föreställa sig i förväg. Men det finns en varning.
"För att utnyttja stressade material behöver du ett sätt att exakt berätta hur stress fördelas på insidan, och därmed hur egenskaperna kommer att variera över provet," förklarade studiens medförfattare och Skoltech-professor Nikolai Brilliantov. "Detta involverar 3D-kartläggning av inre inhomogeniteter, såsom täta fläckar och hålrum, vilket vanligtvis åstadkoms med tomografi."
I likhet med den välbekanta CT-skanningen, betecknar tomografi i allmänhet metoder för att undersöka den inre strukturen av ett objekt skiva för skiva, utan att skada det. Objektet belyses från många vinklar, med den passerande strålningen detekterad på motsatt sida. Detta upprepas för många separata plan som "skär" genom provet, vilket resulterar i en serie 2D-"skivor", senare kombinerade till en komplett 3D-modell via ganska sofistikerad matematik.
De två typerna av tomografi som potentiellt skulle kunna hjälpa till med stressmedveten nanoteknik är beroende av röntgenstrålar och neutroner för att screena provet. Båda medför direkta strålningsrisker för personalen under drift och inducerar "sekundär" radioaktivitet på arbetsplatsen. Processen riskerar också att skada provet på grund av dess upprepade exponering för högenergistrålar. Viktigast av allt är att sensorerna som används för att detektera den passerande strålningen har kornstorlekar som är för stora. Det vill säga, de gör det omöjligt att få verkligt nanoupplösta bilder. När det gäller transmissionselektronmikroskopi har den den huvudsakliga begränsningen att proverna ska vara extremt tunna skivor.
"Vi tar itu med alla dessa brister och öppnar vägen för framtida nanotekniktillämpningar genom att demonstrera en ny typ av tomografi som ger cirka 100 gånger högre upplösning och inte använder farlig strålning, vilket undviker både hälsoproblem och skador på provet," sa Brilliantov .
Kärnan i stressnanotomografi är fenomenet piezoelektricitet:Vissa material ackumulerar elektrisk laddning när de utsätts för mekanisk påfrestning. Dessa är kända som piezoelektriska material och inkluderar en underklass som kallas ferroelektrisk, för vilken omvandlingen av spänning till elektricitet är särskilt uttalad. De sistnämnda användes som prover för analys i studien, men enligt teamet borde den nya stresstomografin fungera på andra fasta material också, men i så fall skulle ferroelektrik behöva spela en hjälproll.
Så här fungerar proof-of-concept-systemet. En metallnål glider över ytan av ett ferroelektriskt material många gånger i olika riktningar och trycker ner med varierande kraft. Hela tiden registreras det varierande elektriska fältet som produceras av materialet under tryck som elektriska strömpulser inducerade i metallspetsen. Eftersom det uppmätta elektriska fältet är direkt relaterat till materialets lokala densitet vid en given punkt, är det möjligt att rekonstruera provets inre struktur och dess spänningsfördelning från dessa data.
Att rekonstruera 3D-strukturen från de insamlade tomografidata är känt för att lösa det omvända problemet, och det är långt ifrån trivialt. "Detta är första gången det omvända problemet har lösts för ett piezoelektriskt material," kommenterade studiens medförfattare och Skoltech-forskaren Gleb Ryzhakov. "Först var vi tvungna att skapa en modell som förklarar vad som faktiskt händer i termer av fysik när metallspetsen glider över provytan. För det andra kom vi med de matematiska verktygen för att lösa det omvända problemet. För det tredje utvecklade vi en tillämpad programvara svit för att återställa tomografibilder från de inspelade strömsignalerna."
Enligt teamet kommer ett av sätten att förbättra tekniken i framtiden att vara att utöka utbudet av material vars inre makeup kan studeras till att inkludera icke-piezoelektriska fasta ämnen. "Det är en fråga om sofistikerad ingenjörskonst:Förutsatt att vi kan tillverka en mycket tunn men hållbar piezoelektrisk film, skulle vi kunna lägga den mellan metallspetsen på tomografen och provet. Teoretiskt borde den då fungera på godtyckliga material, men de elektriska fältmätningarna kommer att behöva vara mycket exakt," tillade Ryzhakov.
"Vi förväntar oss att i framtiden kommer sådan stressnanotomografi att rutinmässigt införlivas i många stressbaserade nanoteknologier," avslutade Brilliantov. + Utforska vidare
