Срочные новости раздела
Учёные разработали метод нанотомографии на основе пьезоэлектрического эффекта

Учёные разработали 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 учётом распределения их плотности. В исследовании показано, 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.

Пьезоэлектрический эффект используется, например, в звукоснимателях© strbn/Flickr

Под давлением свойства материалов меняются — на этом основаны многие технологии, давшие человечеству, например, кованый булат средневековых клинков или преднапряжённый железобетон современных мостов и небоскрёбов. Теперь на очереди — нанотехнологии, и заранее трудно даже предсказать все возможные применения «напряжённых материалов» в сверхмалых устройствах. Но чтобы начать исследовать это направление, учёным предстоит решить важную проблему.

«Чтобы воспользоваться напряжёнными 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 напряжённых 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 облучённом помещении — из-за так называемой наведённой 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 её 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 твёрдых 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 нём.

Определение трёхмерной 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 учёных, один из вариантов развития метода в будущем — сделать, чтобы он работал не только на пьезоэлектриках, но и на других твёрдых образцах. «Вопрос упирается в техническую реализацию: если изготовить достаточно тонкую и прочную пластину из пьезоэлектрика, то её можно будет проложить между иглой томографа и изучаемым образцом. Тогда в теории всё должно работать с произвольными материалами при условии, что измерения электрического поля будут очень точными», — добавил Рыжаков.

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

Статья опубликована в журнале Journal of the Mechanics and Physics of SolidsИсточник: skoltech.ru

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Международная группа палеонтологов во главе с учеными из Технологического института Вирджинии (США) описала нового зароподоморфа и дала ему имя. Возраст скелета динозавра, который сохранился почти
подробнее...

Физики из 13 стран рассказали о результатах исследования относительной частоты рождения короткодействующих двухнуклонных корреляций в легчайших зеркальных ядрах, содержащих по три нуклона. Данные были
подробнее...

Коллектив учёных из Сколтеха опубликовал серию из трёх работ, посвящённых разным аспектам проникновения морской соли и других солей в мёрзлый грунт, содержащий газовые гидраты — льдоподобные
подробнее...

Группа ученых из Санкт-Петербурга показала, как работают гены на хромосомах типа ламповых щеток — особой формы хромосом, которые появляются в яйцеклетках кур. Оказалось, что с хромосом происходит
подробнее...

Биологи из Университета Флориды и Нью-Йоркского университета (США) определили, что муравьиные королевы значительно увеличивают выработку инсулина, что способствует развитию яиц. Но матки также
подробнее...

Коллектив зоологов из Чили, Аргентины, Германии и США опубликовал описание  нового вида птиц , обитающего на островах Диего-Рамирес, расположенных в проливе Дрейка примерно в 100 км к юго-западу от
подробнее...

Исследователи из Йельского университета (США) обнаружили, что воздействие света на нанопроволоки, созданные биопленочными сообществами бактерий, может увеличить электропроводность в этих природных
подробнее...

Китайские физики заставили бозе-конденсат атомов распределиться по синтетической импульсной решетке, полученной с помощью встречных лазеров с различным набором частот. Такая система понадобилась им,
подробнее...

Ученые физического факультета МГУ вместе с коллегами из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН и Национального исследовательского университета МИЭТ придумали способ кодировать
подробнее...

Ученые МГУ предложили новую молекулярную систему для управления активностью генов. В ее основе лежит искусственно сконструированный комплекс на базе вирусного фермента, способный присоединяться к
подробнее...

В настоящее время науке известны онкогенные мутации в более чем 300 генах, и зачастую возникает необходимость ранжировать их, чтобы определить мишени для основного воздействия при лечении. Но в
подробнее...

Новое исследование на мышах — и небольшое испытание, уже проведенное на людях — открывает перспективы лечения, которое поможет уменьшить когнитивные проблемы у людей с синдромом Дауна.
подробнее...

Испанские исследователи из Университета Овьедо изучили геном медузы Turritopsis dohrnii, известной как «бессмертная медуза». В отличие от родственных видов, эта медуза способна при определенных
подробнее...

Российские ученые предложили микробиологический метод, позволяющий эффективно синтезировать урсодезоксихолевую кислоту — препарат, который широко используется при лечении различных заболеваний печени.
подробнее...

Физики-теоретики обнаружили, что в концентрических кольцах фотонов, которые вращаются вокруг черных дыр, есть конформная симметрия — внешние кольца являются увеличенной копией внутренних. Для этого
подробнее...

Сотрудники биологического факультета МГУ создали первую полную электростатическую карту поверхности SARS-CoV-2. Она показывает распределение зарядов на компонентах оболочки коронавируса и позволяет
подробнее...

Необычный эффект, полученный индийскими коллегами в плазменно-пылевой системе, объяснили ученые Московского физико-технического института и Объединенного института высоких температур РАН. Эксперимент
подробнее...

Одной из первых планирующих рептилий был целурозавравус, который жил на территории современного Мадагаскара в конце пермского периода. Палеонтологи переописали этот вид и подтвердили, что образом
подробнее...