Разработан метод нанотомографии на основе пьезоэлектрического эффекта

Работа опубликована в Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Под давлением свойства материалов меняются — на этом основаны многие технологии, давшие человечеству, например, кованый булат средневековых клинков или преднапряженный железобетон современных мостов и небоскребов. Теперь на очереди — нанотехнологии, и заранее трудно даже предсказать все возможные применения «напряженных материалов» в сверхмалых устройствах. Но чтобы начать исследовать это направление, ученым предстоит решить важную проблему.

«Чтобы воспользоваться напряженными наноматериалами, нужно знать, как именно в том или ином образце или детали распределено внутреннее напряжение и, соответственно, как меняются свойства материала в разных точках, — объясняет один из авторов исследования, профессор Сколтеха Николай Бриллиантов. — Для этого картируют внутренние неоднородности, в частности уплотнения и пустоты. В таких случаях применяется томография».

Как и в случае с компьютерной томографией в медицинской клинике, томография в широком смысле предполагает любое послойное исследование внутренней структуры объекта без его разрушения. Образец просвечивают под многими разными углами, регистрируя прошедшее насквозь излучение. Этот процесс повторяется по очереди во многих плоскостях, и получается серия двумерных «срезов» образца, которые затем можно совместить в 3D-модель при помощи весьма непростых математических методов.

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 как во время эксплуатации оборудования, так и при нахождении в облученном помещении — из-за так называемой наведенной радиоактивности. Более того, воздействие нейтронов и рентгеновских фотонов может повредить и сам образец. Что касается просвечивающей электронной микроскопии, то она требует приготовления чрезвычайно тонких срезов, что существенно ограничивает ее применение.

«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 результаты работы 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 использовали в качестве образца для анализа учёные из Сколтеха. Однако, по их словам, метод будет работать и на твердых образцах из других материалов, если задействовать ферроэлектрик во вспомогательной роли.

Базовая концепция такова: металлическая игла многократно проходит по поверхности ферроэлектрического образца в разных направлениях и с разной степенью нажима, считывая возникающее под давлением электрическое поле. Поскольку характеристики поля связаны с локальной плотностью материала в той или иной точке, из полученных данных можно извлечь внутреннюю структуру образца и распределение давления в нем.

Определение трехмерной структуры образца по данным томографии — математически сложный процесс, который называется решением обратной задачи. «В нашей работе обратная задача применительно к пьезоэлектрику решена впервые, — сказал соавтор исследования, научный сотрудник Сколтеха Глеб Рыжаков.

— Для этого мы, во-первых, создали физическую модель, которая объясняет, что происходит, когда металлическая игла скользит по поверхности образца. Во-вторых, мы разработали математические методы для решения обратной задачи. И, наконец, был разработан 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. «Вопрос упирается в техническую реализацию: если изготовить достаточно тонкую и прочную пластину из пьезоэлектрика, то ее можно будет проложить между иглой томографа и изучаемым образцом. Тогда в теории все должно работать с произвольными материалами при условии, что измерения электрического поля будут очень точными», — добавил Рыжаков.

«Мы рассчитываем, что в будущем нанотомография давления прочно войдет в нанотехнологический инструментарий и сыграет роль в появлении новых приложений», — подытожил Бриллиантов. 

Сколтех

430 статей

Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.

Показать больше