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 materiales a nanoescala, con una resolución unas 100 veces mayor que la de las técnicas actualmente disponibles:rayos X y tomografía neutrónica. El equipo cree que su nanotomografía de estrés 3D podría convertirse eventualmente en una técnica metrológica estándar para la nanotecnología. El estudio apareció en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

Las propiedades de los materiales cambian bajo estrés, y esto ha sido explotado por la tecnología humana desde los antiguos herreros que forjaban piezas de metal hasta el concreto pretensado que permitió la existencia de algunos de los edificios más altos y los puentes más grandes de nuestro tiempo. Ahora, los ingenieros que trabajan en dispositivos ultrapequeños también podrían beneficiarse de los materiales estresados ​​en formas muchas de las cuales son difíciles de concebir antes de tiempo. Pero hay una advertencia.

"Para explotar materiales estresados, se necesita una forma de saber con precisión cómo se distribuye el estrés en el interior y, por lo tanto, cómo variarán las propiedades en la muestra", explicó el coautor del estudio y profesor de Skoltech, Nikolai Brilliantov. "Esto implica el mapeo 3D de las faltas de homogeneidad internas, como los puntos densos y las cavidades, que generalmente se logra con tomografía".

Al igual que la tomografía computarizada familiar, la tomografía en general denota métodos para investigar la estructura interna de un objeto rebanada por rebanada, sin dañarlo. El objeto se ilumina desde muchos ángulos y la radiación que pasa se detecta en el lado opuesto. Esto se repite para muchos planos separados que "cortan" la muestra, lo que da como resultado una serie de "rebanadas" 2D, que luego se combinan en un modelo 3D completo a través de algunas matemáticas bastante sofisticadas.

Los dos tipos de tomografía que potencialmente podrían ayudar en la nanotecnología consciente del estrés se basan en rayos X y neutrones para examinar la muestra. Ambos implican riesgos de radiación directa para el personal durante la operación e inducen radiactividad "secundaria" en el lugar de trabajo. El proceso también corre el riesgo de dañar la muestra debido a su exposición repetida a rayos 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 verdaderamente nanorresueltas. En cuanto a la microscopía electrónica de transmisión, tiene la principal limitación de que las muestras deben ser cortes extremadamente finos.

"Abordamos todas estas deficiencias y abrimos el camino para futuras aplicaciones de nanotecnología al demostrar un nuevo tipo de tomografía que produce una resolución 100 veces mayor y no utiliza radiación peligrosa, evitando tanto los problemas de salud como los daños a la muestra", dijo Brilliantov. .

En el corazón de la nanotomografía de estrés se encuentra el fenómeno de la piezoelectricidad:algunos materiales acumulan carga eléctrica cuando se exponen a estrés mecánico. Conocidos como materiales piezoeléctricos, estos incluyen una subclase llamada ferroeléctricos, para los cuales la conversión de tensión 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 en otros materiales sólidos, pero en ese caso los ferroeléctricos tendrían que desempeñar un papel auxiliar.

Así es como funciona el sistema de prueba de concepto. Una aguja de metal se desliza a través de la superficie de un material ferroeléctrico muchas veces en diferentes direcciones y presiona hacia abajo con fuerza variable. Mientras tanto, el campo eléctrico variable producido 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 esos datos.

Reconstruir la estructura 3D a partir de los datos tomográficos recopilados se conoce como resolver el problema inverso, y está lejos de ser 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 en términos físicos a medida que la punta de metal se desliza por la superficie de la muestra. Segundo, ideamos las herramientas matemáticas para resolver el problema inverso. Tercero, desarrollamos un software aplicado suite para recuperar imágenes de tomografía a partir de las señales actuales registradas."

Según el equipo, una de las formas de mejorar la técnica en el futuro será ampliar la gama de materiales cuya composición interna se puede estudiar para incluir sólidos no piezoeléctricos. "Es una cuestión de ingeniería sofisticada:siempre que podamos fabricar una película piezoeléctrica muy delgada pero duradera, podríamos colocarla entre la punta de metal del tomógrafo y la muestra. Teóricamente, debería funcionar en materiales arbitrarios, pero las mediciones del campo eléctrico tendrá que ser muy preciso", añadió Ryzhakov.

"Esperamos que, en el futuro, dicha nanotomografía de estrés se incorpore de manera rutinaria en numerosas nanotecnologías basadas en el estrés", concluyó Brilliantov. + Explora más

Algunos materiales piezoeléctricos pueden ser 'falsos'