Investigadores de Skoltech y sus colegas en Rusia y España informaron sobre una demostración de prueba de concepto de un nuevo método seguro contra la radiación para mapear la estructura interna y la distribución de tensiones en muestras de material a nanoescala con una resolución de aproximadamente 100 veces la de las técnicas disponibles actualmente. : Rayos X y tomografía neutrónica. El equipo cree que su nanotomografía de estrés en 3D podría eventualmente convertirse en una técnica de metrología estándar para la nanotecnología. El estudio apareció en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids.
Las propiedades de los materiales cambian bajo tensión, y esto ha sido explotado por la tecnología humana, desde los antiguos herreros que forjaban piezas de metal hasta el hormigón pretensado, lo que permite que existan algunos de los edificios más altos y los puentes más grandes de nuestro tiempo. Ahora, incluso los ingenieros que trabajan en dispositivos ultrapequeños podrían beneficiarse de los materiales estresados de maneras que muchos encuentran difíciles de imaginar de antemano. Pero hay una advertencia.
«Para explotar materiales estresados, debe poder saber exactamente cómo se distribuye el estrés en el interior y cómo cambiarán las propiedades en la muestra». El coautor del estudio y profesor de Skoltech, Nikolai Brilliantov, explicó. «Este es el mapeo 3D de las faltas de homogeneidad interna, como sellos y cavidades, que generalmente se realiza con tomografía».
Al igual que ocurre con la conocida tomografía computarizada, la tomografía generalmente se refiere a métodos para estudiar la estructura interna de un objeto capa por capa sin dañarlo. El objeto se ilumina desde muchos ángulos, y la radiación que lo atraviesa se captura en el lado opuesto. Esto se repite para muchos planos separados que «cortan» la muestra, lo que da como resultado una serie de «cortes» 2D que luego se combinan en un modelo 3D completo utilizando algunas matemáticas bastante sofisticadas.
Los dos tipos de tomografía que potencialmente podrían ayudar con la nanotecnología consciente del estrés se basan en rayos X y neutrones para estudiar la muestra. Ambos implican un riesgo de radiación directa para el personal durante la operación e inducen radiactividad «secundaria» en el lugar de trabajo. El proceso también conlleva el riesgo de dañar la muestra, ya que se expone repetidamente a haces de alta energía. Lo que es más importante, los sensores utilizados para detectar la radiación que pasa tienen tamaños de grano demasiado grandes. Es decir, hacen que sea imposible obtener imágenes de verdadera nanorresolución. En cuanto a la microscopía electrónica de transmisión, tiene la principal limitación de que las muestras deben ser cortes extremadamente finos.
“Estamos abordando todas estas deficiencias y allanando el camino para futuras aplicaciones de la nanotecnología al demostrar un nuevo tipo de tomografía que ofrece aproximadamente 100 veces la resolución y no utiliza radiación peligrosa, lo que reduce tanto los problemas de salud como el daño al cuerpo humano. ” dijo Brilliantov.
En el corazón de la nanotomografía de tensión se encuentra el fenómeno de la piezoelectricidad: algunos materiales acumulan carga eléctrica cuando se someten a tensión mecánica. Conocidos como materiales piezoeléctricos, estos materiales incluyen una subclase llamada ferroeléctricos, en los que la conversión de voltaje a electricidad es particularmente pronunciada. Estos últimos se utilizaron como muestras para el análisis en el estudio, pero según el equipo, la nueva tomografía de estrés también debería funcionar con otros materiales sólidos, pero en este caso los ferroeléctricos tendrían que desempeñar un papel de apoyo.
Así es como funciona el sistema de prueba de concepto. Una aguja de metal se desliza por la superficie de un material ferroeléctrico muchas veces en diferentes direcciones, empujando hacia abajo con fuerza variable. Mientras tanto, el campo eléctrico variable creado por el material bajo presión se registra como pulsos de corriente eléctrica inducidos en la punta de metal. Dado que el campo eléctrico medido está directamente relacionado con la densidad local del material en cualquier punto dado, es posible reconstruir la estructura interna de la muestra y su distribución de tensiones a partir de estos datos.
Reconstruir la estructura 3D a partir de los datos tomográficos recopilados se denomina resolver el problema inverso y es cualquier cosa menos trivial. «Esta es la primera vez que se resuelve el problema inverso para un material piezoeléctrico». Comentó el coautor del estudio y científico investigador de Skoltech, Gleb Ryzhakov. “Primero tuvimos que crear un modelo que explicara lo que realmente sucede físicamente cuando la punta de metal se desliza sobre la superficie de la muestra. En segundo lugar, desarrollamos las herramientas matemáticas para resolver el problema inverso. En tercer lugar, hemos desarrollado un paquete de software aplicado para restaurar imágenes tomográficas a partir de las señales actuales registradas”.
Según el equipo, una de las formas en que se puede mejorar la técnica en el futuro es ampliar la gama de materiales cuya composición interna se puede estudiar para incluir sólidos no piezoeléctricos. «Es una cuestión de ingeniería sofisticada: si podemos hacer una lámina piezoeléctrica muy delgada pero duradera, podríamos colocarla entre la punta de metal del tomógrafo y la muestra. En teoría, debería funcionar con cualquier material, pero las mediciones del campo eléctrico tienen que ser muy precisas». añadió Ryzhakov.
«Esperamos que dicha nanotomografía de estrés se integre de manera rutinaria en numerosas nanotecnologías basadas en estrés en el futuro.” concluyó Brilliantov.
Fuente: https://www.skoltech.ru/en
