Des chercheurs de Skoltech et leurs collègues en Russie et en Espagne ont rapporté une démonstration de preuve de concept d'une nouvelle méthode sans danger pour les rayonnements pour cartographier la structure interne et la distribution des contraintes dans des échantillons de matériaux à l'échelle nanométrique, avec une résolution environ 100 fois supérieure à celle celle des techniques actuellement disponibles :tomographie par rayons X et neutrons. L'équipe pense que sa nanotomographie de contrainte 3D pourrait éventuellement devenir une technique métrologique standard pour les nanotechnologies. L'étude est parue dans le Journal of the Mechanics and Physics of Solids .

Les propriétés des matériaux changent sous l'effet du stress, et cela a été exploité par la technologie humaine, des anciens forgerons forgeant des objets métalliques au béton précontraint permettant l'existence de certains des bâtiments les plus hauts et des plus grands ponts de notre temps. Désormais, les ingénieurs travaillant sur des appareils ultra-petits pourraient également bénéficier de matériaux sollicités d'une manière dont beaucoup sont difficiles à concevoir à l'avance. Mais il y a une mise en garde.

"Pour exploiter les matériaux stressés, vous avez besoin d'un moyen de dire avec précision comment la contrainte est répartie à l'intérieur, et donc comment les propriétés varient à travers l'échantillon", a expliqué le co-auteur de l'étude et professeur de Skoltech, Nikolai Brilliantov. "Cela implique la cartographie 3D des inhomogénéités internes, telles que les taches et les cavités denses, qui est généralement réalisée avec la tomographie."

Semblable à la tomodensitométrie familière, la tomographie en général désigne des méthodes permettant d'étudier la structure interne d'un objet tranche par tranche, sans l'endommager. L'objet est éclairé sous de nombreux angles, le rayonnement passant étant détecté du côté opposé. Ceci est répété pour de nombreux plans séparés "coupant" à travers l'échantillon, résultant en une série de "tranches" 2D, plus tard combinées en un modèle 3D complet via des mathématiques plutôt sophistiquées.

Les deux types de tomographie qui pourraient potentiellement aider dans la nanotechnologie sensible au stress reposent sur les rayons X et les neutrons pour filtrer l'échantillon. Les deux entraînent des risques d'irradiation directs pour le personnel pendant l'exploitation et induisent une radioactivité "secondaire" sur le lieu de travail. Le processus risque également d'endommager l'échantillon en raison de son exposition répétée à des rayons à haute énergie. Surtout, les capteurs utilisés pour détecter le rayonnement passant ont des tailles de grains trop importantes. C'est-à-dire qu'ils rendent impossible l'obtention d'images réellement nano-résolues. Quant à la microscopie électronique à transmission, elle a pour principale limitation que les échantillons doivent être des tranches extrêmement fines.

"Nous comblons toutes ces lacunes et ouvrons la voie à de futures applications nanotechnologiques en démontrant un nouveau type de tomographie qui donne une résolution environ 100 fois plus élevée et n'utilise pas de rayonnement dangereux, évitant à la fois les problèmes de santé et les dommages à l'échantillon", a déclaré Brilliantov. .

Au cœur de la nanotomographie de contrainte se trouve le phénomène de piézoélectricité :certains matériaux accumulent des charges électriques lorsqu'ils sont exposés à des contraintes mécaniques. Connus sous le nom de matériaux piézoélectriques, ceux-ci comprennent une sous-classe appelée ferroélectriques, pour laquelle la conversion de contrainte en électricité est particulièrement prononcée. Ces derniers ont été utilisés comme échantillons pour l'analyse dans l'étude, mais selon l'équipe, la nouvelle tomographie sous contrainte devrait également fonctionner sur d'autres matériaux solides, mais dans ce cas, les ferroélectriques devraient jouer un rôle auxiliaire.

Voici comment fonctionne le système de preuve de concept. Une aiguille métallique glisse plusieurs fois sur la surface d'un matériau ferroélectrique dans différentes directions et en appuyant avec une force variable. Pendant tout ce temps, le champ électrique variable produit par le matériau sous pression est enregistré sous forme d'impulsions de courant électrique induites dans la pointe métallique. Étant donné que le champ électrique mesuré est directement lié à la densité locale du matériau en un point donné, il est possible de reconstruire la structure interne de l'échantillon et sa répartition des contraintes à partir de ces données.

La reconstruction de la structure 3D à partir des données de tomographie collectées est connue sous le nom de résolution du problème inverse, et elle est loin d'être triviale. "C'est la première fois que le problème inverse est résolu pour un matériau piézoélectrique", a commenté le co-auteur de l'étude et chercheur scientifique de Skoltech, Gleb Ryzhakov. "Premièrement, nous avons dû créer un modèle qui explique ce qui se passe réellement en termes de physique lorsque la pointe métallique glisse sur la surface de l'échantillon. Deuxièmement, nous avons trouvé les outils mathématiques pour résoudre le problème inverse. Troisièmement, nous avons développé un logiciel appliqué suite pour récupérer des images de tomographie à partir des signaux de courant enregistrés."

Selon l'équipe, l'un des moyens d'améliorer la technique à l'avenir consistera à élargir la gamme de matériaux dont la composition interne peut être étudiée pour inclure des solides non piézoélectriques. "C'est une question d'ingénierie sophistiquée :à condition que nous puissions fabriquer un film piézoélectrique très fin mais durable, nous pourrions le poser entre la pointe métallique du tomographe et l'échantillon. Théoriquement, cela devrait alors fonctionner sur des matériaux arbitraires, mais les mesures de champ électrique devra être très précis", a ajouté Ryzhakov.

"Nous prévoyons qu'à l'avenir, une telle nanotomographie de stress sera systématiquement intégrée dans de nombreuses nanotechnologies basées sur le stress", a conclu Brilliantov. + Explorer plus loin

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