• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
12 июля
Сколтех
1
648

Разработан метод нанотомографии на основе пьезоэлектрического эффекта

4.6

Исследователи из Сколтеха и их российские и испанские коллеги экспериментально подтвердили работоспособность концепции нанотомографии давления — нового метода отображения внутренней структуры наноматериалов с учетом распределения их плотности. Они показали, что разрешение нового вида томографии почти на два порядка выше, чем у используемых сегодня рентгеновской и нейтронной томографии, которые вдобавок несут радиационные риски. Авторы работы полагают, что их метод в перспективе может стать базовым метрологическим инструментом нанотехнологов.

Разработан метод нанотомографии на основе пьезоэлектрического эффекта / ©Getty images

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. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
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.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 14:02
Иван Лавренов

Некоторые пульсары покидают остатки сверхновых со скоростями более тысячи километров в секунду. Согласно новому исследованию, такую скорость им может придавать весьма необычное явление - мощное направленное нейтринное циклотронное излучение.

12 августа
Ольга Иванова

Исследование американских нейробиологов на грызунах показало, что повышенный уровень тестостерона способствует не только агрессивному, но и просоциальному поведению.

Позавчера, 14:54
Сергей Васильев

Крошечные маячки помогли ученым следовать за мигрирующими насекомыми в небольшом самолете, показав, что те уверенно ориентируются в пространстве, перелетая на тысячи километров.

Вчера, 14:02
Иван Лавренов

Некоторые пульсары покидают остатки сверхновых со скоростями более тысячи километров в секунду. Согласно новому исследованию, такую скорость им может придавать весьма необычное явление - мощное направленное нейтринное циклотронное излучение.

12 августа
Василий Парфенов

В конце июля многие СМИ опубликовали новости с заголовками вида «Земля стала вращаться быстрее — и ученые не знают почему». К концу первой недели августа тема добралась и до русскоязычного сегмента Сети. На поверку этот инфоповод пусть и без негативных последствий, но демонстрирует основные пороки современной (не только научно-популярной) журналистики. Рассказываем, как в действительности изменяется скорость вращения нашей планеты, насколько хорошо известны причины таких осцилляций, а также почему ученые никогда ничего не знают наверняка (и это нормально).

12 августа
Ольга Иванова

Исследование американских нейробиологов на грызунах показало, что повышенный уровень тестостерона способствует не только агрессивному, но и просоциальному поведению.

2 августа
Александр Березин

Если западным странам удастся «лишить Кремль нефтяных доходов», то мир ждет геополитическое землетрясение. Только не обязательно в ту сторону, о которой вы сейчас подумали. На фоне того, что последует за «лишением», шок 1973 года может показаться детской игрой. Naked Science попробует оценить размах «потолочного катаклизма» заранее.

31 июля
Александр Березин

Саудовский принц одобрил строительство гигантского «лежачего небоскреба», который должен стать крупнейшим зданием в истории. Причем еще и самым экологичным в мире. Пресса и соцсети полны возмущенных оценок: «это антиутопия!», «проект сырой!» и тому подобным. Однако чисто технически это не так: «Зеркальную линию» на пять миллионов жителей вполне можно построить. И такое здание в самом деле будет энергоэффективным (и формально безуглеродным). Но у проекта есть другие слабые места, лежащие скорее в сфере науки, нежели техники. Naked Science попробовал разобраться в деталях.

27 июля
Алиса Гаджиева

Новое исследование показало, что появившаяся у человека способность переваривать молочный сахар никак не сказалась на распространенности потребления продуктов молочного животноводства.

[miniorange_social_login]

Комментарии

1 Комментарий

12.07.2022
-
0
+
Скоро такие штуки будут засекречивать, и правильно сделают.
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: