Onderzoekers van Skoltech en hun collega's in Rusland en Spanje hebben een proof-of-concept-demonstratie gerapporteerd van een nieuwe stralingsveilige methode voor het in kaart brengen van de interne structuur en spanningsverdeling in monsters van materialen op nanoschaal, met een resolutie die ongeveer 100 keer hoger is dan die van de momenteel beschikbare technieken:röntgen- en neutronentomografie. Het team is van mening dat de 3D-stress-nanotomografie uiteindelijk een standaard metrologische techniek voor nanotechnologie kan worden. De studie verscheen in het Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

De eigenschappen van materialen veranderen onder stress, en dit is door menselijke technologie uitgebuit, van oude smeden die metaalwerk smeden tot voorgespannen beton, waardoor het bestaan ​​​​van enkele van de hoogste gebouwen en grootste bruggen van onze tijd mogelijk is. Nu kunnen ingenieurs die aan ultrakleine apparaten werken ook profiteren van belaste materialen op manieren waarvan vele moeilijk van tevoren te bedenken zijn. Maar er is een waarschuwing.

"Om gestresste materialen te exploiteren, heb je een manier nodig om precies te vertellen hoe stress aan de binnenkant wordt verdeeld, en dus hoe de eigenschappen zullen variëren over het monster", legde co-auteur en Skoltech-professor Nikolai Brilliantov uit. "Dit omvat de 3D-mapping van interne inhomogeniteiten, zoals dichte vlekken en holtes, wat meestal wordt bereikt met tomografie."

Net als bij de bekende CT-scan staat tomografie in het algemeen voor methoden om de interne structuur van een object plakje voor plakje te onderzoeken, zonder het te beschadigen. Het object wordt vanuit vele hoeken belicht, waarbij de passerende straling aan de andere kant wordt gedetecteerd. Dit wordt herhaald voor veel afzonderlijke vlakken die door het monster 'snijden', wat resulteert in een reeks 2D-'plakjes', later gecombineerd tot een compleet 3D-model via nogal geavanceerde wiskunde.

De twee soorten tomografie die mogelijk kunnen helpen bij stressbewuste nanotechnologie, zijn afhankelijk van röntgenstralen en neutronen om het monster te screenen. Beide brengen directe stralingsrisico's met zich mee voor het personeel tijdens het gebruik en veroorzaken "secundaire" radioactiviteit op de werkplek. Het proces loopt ook het risico het monster te beschadigen vanwege de herhaalde blootstelling aan hoogenergetische stralen. Het belangrijkste is dat de sensoren die worden gebruikt om de passerende straling te detecteren, te grote korrelgroottes hebben. Dat wil zeggen, ze maken het onmogelijk om echt nano-opgeloste beelden te verkrijgen. Wat transmissie-elektronenmicroscopie betreft, heeft het de belangrijkste beperking dat de monsters extreem dunne plakjes moeten zijn.

"We pakken al deze tekortkomingen aan en maken de weg vrij voor toekomstige nanotechnologietoepassingen door een nieuw soort tomografie te demonstreren die een ongeveer 100 keer hogere resolutie oplevert en geen gevaarlijke straling gebruikt, waardoor zowel de gezondheidsproblemen als schade aan het monster worden vermeden," zei Brilliantov .

De kern van stress-nanotomografie is het fenomeen piëzo-elektriciteit:sommige materialen accumuleren elektrische lading wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische stress. Deze staan ​​bekend als piëzo-elektrische materialen en omvatten een subklasse die ferro-elektriciteit wordt genoemd, waarvoor de omzetting van spanning naar elektriciteit bijzonder uitgesproken is. Deze laatste werden gebruikt als monsters voor analyse in het onderzoek, maar volgens het team zou de nieuwe stresstomografie ook op andere vaste materialen moeten werken, maar in dat geval zou ferro-elektriciteit een ondersteunende rol moeten spelen.

Hier is hoe het proof-of-concept-systeem werkt. Een metalen naald glijdt vele malen over het oppervlak van een ferro-elektrisch materiaal in verschillende richtingen en drukt met wisselende kracht naar beneden. Al die tijd wordt het variërende elektrische veld dat door het materiaal onder druk wordt geproduceerd, geregistreerd als elektrische stroompulsen die in de metalen punt worden geïnduceerd. Aangezien het gemeten elektrische veld direct gerelateerd is aan de lokale dichtheid van het materiaal op een bepaald punt, is het mogelijk om de interne structuur van het monster en zijn spanningsverdeling uit die gegevens te reconstrueren.

Het reconstrueren van de 3D-structuur uit de verzamelde tomografiegegevens staat bekend als het oplossen van het inverse probleem, en het is verre van triviaal. "Dit is de eerste keer dat het omgekeerde probleem is opgelost voor een piëzo-elektrisch materiaal", merkte co-auteur en Skoltech Research Scientist Gleb Ryzhakov op. "Eerst moesten we een model maken dat uitlegt wat er feitelijk gebeurt in termen van fysica als de metalen punt over het monsteroppervlak glijdt. Ten tweede kwamen we met de wiskundige hulpmiddelen om het inverse probleem op te lossen. Ten derde ontwikkelden we een toegepaste software suite voor het herstellen van tomografiebeelden van de opgenomen stroomsignalen."

Volgens het team is een van de manieren om de techniek in de toekomst te verbeteren, het uitbreiden van het scala aan materialen waarvan de innerlijke samenstelling kan worden bestudeerd met niet-piëzo-elektrische vaste stoffen. "Het is een kwestie van geavanceerde techniek:op voorwaarde dat we een zeer dunne maar duurzame piëzo-elektrische film kunnen maken, zouden we deze tussen de metalen punt van de tomograaf en het monster kunnen leggen. Theoretisch zou het dan op willekeurige materialen moeten werken, maar de elektrische veldmetingen zal heel precies moeten zijn," voegde Ryzhakov eraan toe.

"We verwachten dat dergelijke stress-nanotomografie in de toekomst routinematig zal worden opgenomen in tal van op stress gebaseerde nanotechnologieën", concludeerde Brilliantov. + Verder verkennen

Sommige piëzo-elektrische materialen kunnen 'nep' zijn