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, сообщает пресс-служба Сколтеха. Разрешение нового вида томографии почти на два порядка выше, чем у используемых сегодня рентгеновской и нейтронной томографии. Авторы работы полагают, что их метод в перспективе может стать базовым метрологическим инструментом нанотехнологов.
«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 медицине, 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.
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 ученые из Сколтеха. Однако, по их словам, метод будет работать и на твердых образцах из других материалов, если задействовать ферроэлектрик во вспомогательной роли.
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».
Результаты исследования представлены в статье, которую опубликовал Journal of the Mechanics and Physics of Solids.