Kỹ thuật đo lường mới sử dụng ứng suất cho chụp cắt lớp nano

Các nhà nghiên cứu từ Skoltech và các đồng nghiệp của họ ở Nga và Tây Ban Nha đã báo cáo một minh chứng về khái niệm của một phương pháp an toàn bức xạ mới để lập bản đồ cấu trúc bên trong và sự phân bố ứng suất trong các mẫu vật liệu ở cấp độ nano, với độ phân giải cao hơn khoảng 100 lần so với đó là các kỹ thuật hiện có: X-quang và chụp cắt lớp neutron. Nhóm nghiên cứu tin rằng kỹ thuật cắt lớp nano ứng suất 3D của họ cuối cùng có thể trở thành một kỹ thuật đo lường tiêu chuẩn cho công nghệ nano.

Các tính chất của vật liệu thay đổi dưới áp lực, và điều này đã được khai thác bởi công nghệ của con người từ những thợ rèn cổ xưa rèn đồ kim loại đến bê tông dự ứng lực cho phép tồn tại một số tòa nhà cao nhất và những cây cầu lớn nhất trong thời đại chúng ta. Giờ đây, các kỹ sư làm việc trên các thiết bị siêu nhỏ cũng có thể hưởng lợi từ các vật liệu chịu ứng suất theo cách mà nhiều người khó hình dung trước được. Nhưng có một báo trước.

Đồng tác giả nghiên cứu và Giáo sư Nikolai Brilliantov của Skoltech giải thích: “Để khai thác các vật liệu chịu ứng suất, bạn cần một cách để cho biết chính xác ứng suất được phân bổ như thế nào ở bên trong và do đó các tính chất sẽ khác nhau như thế nào trên mẫu”. “ Điều này liên quan đến việc lập bản đồ 3D của sự không đồng nhất bên trong, chẳng hạn như các điểm và lỗ hổng dày đặc, thường được thực hiện bằng chụp cắt lớp.”

Giống như chụp CT quen thuộc, chụp cắt lớp nói chung biểu thị các phương pháp điều tra cấu trúc bên trong của một vật thể từng lát cắt mà không làm hỏng nó. Vật thể được chiếu sáng từ nhiều góc độ, với bức xạ đi qua được phát hiện ở phía đối diện. Điều này được lặp lại đối với nhiều mặt phẳng riêng biệt 'cắt' qua mẫu, dẫn đến một loạt các 'lát cắt' 2D, sau đó được kết hợp thành một mô hình 3D hoàn chỉnh thông qua một số toán học khá phức tạp.

Hai loại chụp cắt lớp có khả năng giúp ích trong công nghệ nano nhận biết căng thẳng dựa vào tia X và neutron để sàng lọc mẫu. Cả hai đều gây ra các nguy cơ bức xạ trực tiếp cho nhân viên trong quá trình vận hành và gây ra phóng xạ 'thứ cấp' tại nơi làm việc. Quá trình này cũng có nguy cơ làm hỏng mẫu do tiếp xúc nhiều lần với các tia năng lượng cao. Quan trọng nhất, các cảm biến được sử dụng để phát hiện bức xạ đi qua có kích thước hạt quá lớn. Nghĩa là, chúng khiến cho việc thu được các hình ảnh được phân giải nano thực sự là không thể. Đối với kính hiển vi điện tử truyền qua, nó có hạn chế chính là các mẫu phải là những lát cực mỏng.

Brilliantov cho biết : “Chúng tôi giải quyết tất cả những thiếu sót này và mở đường cho các ứng dụng công nghệ nano trong tương lai bằng cách trình diễn một loại chụp cắt lớp mới mang lại độ phân giải cao hơn khoảng 100 lần và không sử dụng bức xạ nguy hiểm, tránh các vấn đề về sức khỏe và làm hỏng mẫu vật”. .

Trọng tâm của phương pháp chụp cắt lớp nano ứng suất là hiện tượng áp điện: Một số vật liệu tích tụ điện tích khi tiếp xúc với ứng suất cơ học. Được gọi là vật liệu áp điện, chúng bao gồm một phân lớp gọi là sắt điện, trong đó sự chuyển đổi ứng suất thành điện năng đặc biệt rõ rệt. Loại thứ hai được sử dụng làm mẫu để phân tích trong nghiên cứu, nhưng theo nhóm nghiên cứu, phương pháp chụp cắt lớp ứng suất mới cũng sẽ hoạt động trên các vật liệu rắn khác, nhưng trong trường hợp đó, sắt điện sẽ phải đóng vai trò phụ trợ.

Đây là cách hệ thống bằng chứng khái niệm hoạt động. Một kim kim loại trượt trên bề mặt của vật liệu sắt điện nhiều lần theo các hướng khác nhau và ấn xuống với lực khác nhau. Trong suốt thời gian đó, điện trường biến đổi do vật liệu tạo ra dưới áp suất được ghi lại dưới dạng các xung dòng điện cảm ứng trong đầu kim loại. Do điện trường đo được có liên quan trực tiếp đến mật độ cục bộ của vật liệu tại bất kỳ điểm nào, nên có thể tái tạo lại cấu trúc bên trong của mẫu và sự phân bố ứng suất của nó từ những dữ liệu đó.

Việc tái tạo lại cấu trúc 3D từ dữ liệu chụp cắt lớp đã thu thập được gọi là giải quyết vấn đề nghịch đảo và nó không hề tầm thường . “Đây là lần đầu tiên vấn đề nghịch đảo được giải quyết đối với vật liệu áp điện, ” đồng tác giả nghiên cứu và Nhà khoa học nghiên cứu Skoltech Gleb Ryzhakov nhận xét. “Đầu tiên, chúng tôi phải tạo ra một mô hình giải thích những gì thực sự xảy ra về mặt vật lý khi đầu kim loại trượt trên bề mặt mẫu. Thứ hai, chúng tôi đã đưa ra các công cụ toán học để giải bài toán nghịch đảo. Thứ ba, chúng tôi đã phát triển một bộ phần mềm ứng dụng để khôi phục hình ảnh chụp cắt lớp từ các tín hiệu hiện tại được ghi lại.”

Theo nhóm nghiên cứu, một trong những cách để nâng cao kỹ thuật trong tương lai là mở rộng phạm vi vật liệu mà cấu trúc bên trong của chúng có thể được nghiên cứu bao gồm cả chất rắn không áp điện. “ Đó là vấn đề của kỹ thuật tinh vi: Với điều kiện chúng tôi có thể sản xuất một màng áp điện rất mỏng nhưng bền, chúng tôi có thể đặt nó giữa đầu kim loại của máy chụp cắt lớp và mẫu. Về mặt lý thuyết, nó sẽ hoạt động trên các vật liệu tùy ý, nhưng các phép đo điện trường sẽ phải rất chính xác,” Ryzhakov nói thêm.

Brilliantov kết luận: “ Chúng tôi hy vọng rằng trong tương lai, phương pháp chụp cắt lớp nano ứng suất như vậy sẽ được kết hợp thường xuyên trong nhiều công nghệ nano dựa trên ứng suất .