Разработан метод нанотомографии на основе пьезоэлектрического эффекта
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK «Росатом» рассматривает возможность создать под Мурманском новое предприятие для достройки плавучих атомных энергоблоков. Причина в том, что количество заказов госкорпорации растет, а существующих мощностей партнеров может не хватить.
Исследователи выяснили, что гипотеза о «рептильном мозге», поверх которого во время эволюции якобы наслоились более разумные отделы, оказалась ошибочной. Эволюция не наращивала новые слои нейронов один за другим, а постоянно перераспределяла мозговые ресурсы между двумя разными типами межнейронных связей.
Исследователи из МФТИ и Объединенного института высоких температур РАН определили, при каких условиях квазиклассические модели водородной плазмы начинают давать нефизичные результаты. Ученые показали, что при достаточно сильном взаимодействии частиц такие модели перестают правильно учитывать квантовые эффекты, связанные с принципом Паули. В результате в расчетах возникают нефизичные электрон-ионные кластеры, а моделируемая система теряет устойчивость.
Госдолг США достиг 40 триллионов долларов и растет все быстрее и быстрее. На Западе переполох: при таких размерах его не выплатить. Следовательно, полагают многие, надо решить проблему как древние шумеры — долг обнулить и начать занимать заново. Рецепт кажется здравым, но есть нюансы. Причем поучительнее всего они даже не для Штатов, а, как ни странно, именно для России.
Группа российских исследователей, в которую вошли океанологи Санкт-Петербургского университета, выявила существование ранее неизвестных механизмов распространения «волн Россби». В ходе работы им удалось зафиксировать точки, где перенос энергии прекращается, а траектории движения воды претерпевают изменения. Дополнительно ученые обнаружили асимметрию в динамике волновых процессов, зарождающихся у западных и восточных прибрежных течений.
Международная группа физиков зафиксировала под землей в США аномальный всплеск энергии, похожий на прямое столкновение невидимой частицы темной материи с обычным веществом. Подземные датчики поймали сигнал, который не удалось списать ни на один из известных науке видов радиации или фоновых помех.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно