I ricercatori di Skoltech e i loro colleghi in Russia e Spagna hanno riportato una dimostrazione proof-of-concept di un nuovo metodo sicuro per le radiazioni per mappare la struttura interna e la distribuzione dello stress in campioni di materiali su scala nanometrica, con una risoluzione circa 100 volte superiore a quella delle tecniche attualmente disponibili:tomografia a raggi X e neutroni. Il team ritiene che la sua nanotomografia da stress 3D potrebbe alla fine diventare una tecnica metrologica standard per la nanotecnologia. Lo studio è uscito nel Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

Le proprietà dei materiali cambiano sotto stress, e questo è stato sfruttato dalla tecnologia umana dagli antichi fabbri che forgiavano oggetti in metallo al cemento precompresso consentendo l'esistenza di alcuni degli edifici più alti e dei ponti più grandi del nostro tempo. Ora, gli ingegneri che lavorano su dispositivi ultrapiccoli potrebbero anche trarre vantaggio da materiali sollecitati in modi molti dei quali sono difficili da concepire in anticipo. Ma c'è un avvertimento.

"Per sfruttare i materiali sollecitati, è necessario un modo per dire con precisione come viene distribuito lo stress all'interno, e quindi come le proprietà varieranno nel campione", ha spiegato il coautore dello studio e il professor Nikolai Brilliantov di Skoltech. "Ciò comporta la mappatura 3D delle disomogeneità interne, come punti densi e cavità, che di solito si ottiene con la tomografia."

Simile alla familiare scansione TC, la tomografia in generale denota metodi per indagare la struttura interna di un oggetto fetta per fetta, senza danneggiarla. L'oggetto è illuminato da molte angolazioni, con la radiazione passante rilevata sul lato opposto. Questo viene ripetuto per molti piani separati che "tagliano" il campione, risultando in una serie di "sezioni" 2D, successivamente combinate in un modello 3D completo tramite una matematica piuttosto sofisticata.

I due tipi di tomografia che potrebbero potenzialmente aiutare nella nanotecnologia sensibile allo stress si basano sui raggi X e sui neutroni per lo screening del campione. Entrambi comportano rischi di radiazioni dirette per il personale durante il funzionamento e inducono radioattività "secondaria" sul posto di lavoro. Il processo corre anche il rischio di danneggiare il campione a causa della sua ripetuta esposizione a raggi ad alta energia. Soprattutto, i sensori utilizzati per rilevare la radiazione di passaggio hanno granulometrie troppo grandi. Cioè, rendono impossibile ottenere immagini veramente nano-risolte. Per quanto riguarda la microscopia elettronica a trasmissione, ha il principale limite che i campioni devono essere fette estremamente sottili.

"Affrontiamo tutte queste carenze e apriamo la strada a future applicazioni nanotecnologiche dimostrando un nuovo tipo di tomografia che produce una risoluzione circa 100 volte superiore e non utilizza radiazioni pericolose, evitando sia i problemi di salute che i danni al campione", ha affermato Brilliantov .

Al centro della nanotomografia da stress c'è il fenomeno della piezoelettricità:alcuni materiali accumulano carica elettrica quando esposti a stress meccanico. Conosciuti come materiali piezoelettrici, questi includono una sottoclasse chiamata ferroelettrico, per la quale la conversione da stress a elettricità è particolarmente pronunciata. Questi ultimi sono stati utilizzati come campioni per l'analisi nello studio, ma secondo il team, la nuova tomografia da stress dovrebbe funzionare anche su altri materiali solidi, ma in tal caso i ferroelettrici dovrebbero svolgere un ruolo ausiliario.

Ecco come funziona il sistema proof-of-concept. Un ago di metallo scorre sulla superficie di un materiale ferroelettrico molte volte in direzioni diverse e premendo con forza variabile. Nel frattempo, il campo elettrico variabile prodotto dal materiale sotto pressione viene registrato come impulsi di corrente elettrica indotti nella punta metallica. Poiché il campo elettrico misurato è direttamente correlato alla densità locale del materiale in un dato punto, è possibile ricostruire la struttura interna del campione e la sua distribuzione delle sollecitazioni da quei dati.

Ricostruire la struttura 3D dai dati tomografici raccolti è noto come risolvere il problema inverso ed è tutt'altro che banale. "Questa è la prima volta che il problema inverso viene risolto per un materiale piezoelettrico", ha commentato Gleb Ryzhakov, coautore dello studio e ricercatore Skoltech. "In primo luogo, dovevamo creare un modello che spiegasse cosa accade effettivamente in termini di fisica quando la punta di metallo scivola sulla superficie del campione. In secondo luogo, abbiamo escogitato gli strumenti matematici per risolvere il problema inverso. In terzo luogo, abbiamo sviluppato un software applicato suite per il recupero di immagini tomografiche dai segnali di corrente registrati."

Secondo il team, uno dei modi per migliorare la tecnica in futuro sarà ampliare la gamma di materiali la cui composizione interna può essere studiata per includere solidi non piezoelettrici. "È una questione di ingegneria sofisticata:se siamo in grado di produrre una pellicola piezoelettrica molto sottile ma resistente, potremmo metterla tra la punta metallica del tomografo e il campione. In teoria, dovrebbe quindi funzionare su materiali arbitrari, ma le misurazioni del campo elettrico dovrà essere molto preciso", ha aggiunto Ryzhakov.

"Ci aspettiamo che in futuro tale nanotomografia da stress sarà regolarmente incorporata in numerose nanotecnologie basate sullo stress", ha concluso Brilliantov. + Esplora ulteriormente

Alcuni materiali piezoelettrici potrebbero essere "falsi"