Pesquisadores da Skoltech e seus colegas na Rússia e na Espanha relataram uma demonstração de prova de conceito de um novo método seguro contra radiação para mapear a estrutura interna e a distribuição de tensões em amostras de materiais em nanoescala, com uma resolução cerca de 100 vezes maior do que o das técnicas atualmente disponíveis:raio-X e tomografia de nêutrons. A equipe acredita que sua nanotomografia de estresse 3D pode eventualmente se tornar uma técnica metrológica padrão para a nanotecnologia. O estudo saiu no Jornal da Mecânica e Física dos Sólidos .
As propriedades dos materiais mudam sob estresse, e isso tem sido explorado pela tecnologia humana, desde antigos ferreiros forjando peças de metal até concreto protendido, permitindo a existência de alguns dos edifícios mais altos e maiores pontes do nosso tempo. Agora, os engenheiros que trabalham em dispositivos ultrapequenos também podem se beneficiar de materiais estressados ​​de maneiras muitas das quais são difíceis de conceber antes do tempo. Mas há uma ressalva.

“Para explorar materiais estressados, você precisa de uma maneira de dizer com precisão como o estresse é distribuído no interior e, portanto, como as propriedades variam na amostra”, explicou o coautor do estudo e professor da Skoltech Nikolai Brilliantov. "Isso envolve o mapeamento 3D de heterogeneidades internas, como pontos densos e cavidades, que geralmente é realizado com tomografia".

Semelhante à tomografia computadorizada familiar, a tomografia em geral denota métodos para investigar a estrutura interna de um objeto fatia por fatia, sem danificá-lo. O objeto é iluminado de muitos ângulos, com a radiação de passagem detectada no lado oposto. Isso é repetido para muitos planos separados "cortando" a amostra, resultando em uma série de "fatias" 2D, posteriormente combinadas em um modelo 3D completo por meio de uma matemática bastante sofisticada.

Os dois tipos de tomografia que podem potencialmente ajudar na nanotecnologia sensível ao estresse dependem de raios-X e nêutrons para rastrear a amostra. Ambos acarretam riscos de radiação direta para o pessoal durante a operação e induzem radioatividade "secundária" no local de trabalho. O processo também corre o risco de danificar a amostra devido à sua exposição repetida a raios de alta energia. Mais importante ainda, os sensores usados ​​para detectar a radiação que passa têm tamanhos de grão muito grandes. Ou seja, impossibilitam a obtenção de imagens verdadeiramente nano-resolvidas. Quanto à microscopia eletrônica de transmissão, tem como principal limitação que as amostras sejam fatias extremamente finas.

"Nós abordamos todas essas deficiências e abrimos o caminho para futuras aplicações de nanotecnologia, demonstrando um novo tipo de tomografia que produz uma resolução cerca de 100 vezes maior e não usa radiação perigosa, evitando tanto problemas de saúde quanto danos à amostra", disse Brilliantov. .

No coração da nanotomografia de estresse está o fenômeno da piezoeletricidade:alguns materiais acumulam carga elétrica quando expostos a estresse mecânico. Conhecidos como materiais piezoelétricos, estes incluem uma subclasse chamada ferroelétricos, para os quais a conversão de tensão em eletricidade é particularmente pronunciada. Estes últimos foram usados ​​como amostras para análise no estudo, mas, segundo a equipe, a nova tomografia de estresse deve funcionar também em outros materiais sólidos, mas nesse caso os ferroelétricos teriam que desempenhar um papel auxiliar.

Aqui está como o sistema de prova de conceito funciona. Uma agulha de metal desliza pela superfície de um material ferroelétrico muitas vezes em diferentes direções e pressionando com força variável. Durante todo o tempo, o campo elétrico variável produzido pelo material sob pressão é registrado como pulsos de corrente elétrica induzidos na ponta de metal. Como o campo elétrico medido está diretamente relacionado à densidade local do material em qualquer ponto, é possível reconstruir a estrutura interna da amostra e sua distribuição de tensões a partir desses dados.

Reconstruir a estrutura 3D a partir dos dados tomográficos coletados é conhecido como resolver o problema inverso e está longe de ser trivial. "Esta é a primeira vez que o problema inverso foi resolvido para um material piezoelétrico", comentou o coautor do estudo e cientista de pesquisa da Skoltech, Gleb Ryzhakov. "Primeiro, tivemos que criar um modelo que explicasse o que realmente acontece em termos de física à medida que a ponta de metal desliza pela superfície da amostra. Segundo, criamos as ferramentas matemáticas para resolver o problema inverso. Terceiro, desenvolvemos um software aplicado suite para recuperar imagens de tomografia dos sinais atuais gravados."

Segundo a equipe, uma das maneiras de aprimorar a técnica no futuro será ampliar a gama de materiais cuja composição interna pode ser estudada para incluir sólidos não piezoelétricos. "É uma questão de engenharia sofisticada:desde que possamos fabricar um filme piezoelétrico muito fino, mas durável, poderíamos colocá-lo entre a ponta de metal do tomógrafo e a amostra. Teoricamente, ele deveria funcionar em materiais arbitrários, mas as medições do campo elétrico terá que ser muito preciso", acrescentou Ryzhakov.

"Esperamos que, no futuro, essa nanotomografia de estresse seja rotineiramente incorporada em várias nanotecnologias baseadas em estresse", concluiu Brilliantov. + Explorar mais

Alguns materiais piezoelétricos podem ser 'falsos'