Прорыв в материаловедении: Российские ученые разработали сверхточный метод оценки пористости волокон по одному снимку

Революция в контроле качества: Один снимок вместо сложной томографии

Исследователи из Сколковского института науки и технологий (Сколтех), работающие в Лаборатории иерархически структурированных материалов Центра системного проектирования, совершили значительный прорыв в области анализа волокнистых материалов. Ученым удалось создать новую методику, позволяющую с высокой точностью определять объемную пористость, используя для анализа всего один оптический микроснимок. Это достижение имеет потенциал кардинально упростить и удешевить контроль качества в производстве.

Ключевой характеристикой, от которой напрямую зависят эксплуатационные параметры многих современных материалов — их механические свойства, проницаемость и общая эффективность — является пористость, то есть доля объема, которую занимают пустоты между волокнами. Традиционные методы ее измерения часто либо требовали применения сложного и дорогостоящего оборудования, например, микротомографов, либо были трудоемкими физическими испытаниями.

Более того, ранее существовавшие методы анализа изображений, основанные лишь на подсчете открытой площади на двумерном срезе (так называемая «цифровая пористость»), нередко давали существенные расхождения, вплоть до 50% погрешности, поскольку они не могли учесть истинную трехмерную структуру материала и глубину залегания волокон.

Суть нового метода: Анализ перспективных искажений

Разработка Сколтеха решает фундаментальную проблему перехода от плоского изображения к пониманию трехмерной структуры материала. Новый подход основан на тонком анализе перспективных искажений и статистических изменений в видимой толщине волокон при получении одного снимка через обычный оптический микроскоп.

Принцип действия кроется в следующем: волокна, расположенные в нижних слоях образца, кажутся тоньше из-за эффекта перспективы. Специально разработанный алгоритм проводит статистический анализ того, как именно меняется кажущаяся толщина волокон в зависимости от их яркости, которая, в свою очередь, уменьшается по мере удаления волокна вглубь материала.

«Наш метод решает фундаментальную проблему перехода от двумерного изображения к определению трёхмерной структуры материала. Мы не просто считаем пиксели на поверхности — мы „заглядываем“ вглубь материала, анализируя, как меняется видимая толщина волокон. Это позволяет с высокой точностью определять истинную пористость без дорогостоящего оборудования для 3D-реконструкции», — прокомментировал суть разработки один из авторов исследования.

Этот интеллектуальный подход позволяет не просто фиксировать поверхностную картину, но и с высокой точностью реконструировать внутреннюю геометрию. Результатом стало достижение средней ошибки расчета объемной пористости всего в 3,5%, что существенно превосходит точность старых подходов.

Простота и применимость: Взгляд в будущее производства

Одним из важнейших преимуществ новой методики, согласно заявлению пресс-службы Сколтеха, является ее простота реализации и низкая требовательность к оборудованию. Для проведения анализа достаточно стандартного оптического микроскопа и соответствующего программного обеспечения, что резко снижает порог входа для научных лабораторий и промышленных предприятий.

Эта доступность открывает широкие перспективы для интеграции метода в производственные процессы. Возможность быстрой и точной оценки пористости непосредственно на производственных линиях позволяет наладить контроль качества в реальном времени. Это критически важно для материалов, где малейшие отклонения в структуре могут привести к браку целой партии.

Результаты этого исследования получили международное признание и были опубликованы в авторитетном научном журнале Measurement.

Ключевая роль пористых материалов: От биомедицины до космоса

Разработка Сколтеха напрямую влияет на повышение функциональности и надежности волокнистых материалов, которые находят применение в самых передовых и ответственных отраслях. Улучшенная точность анализа пористости позволяет инженерам и ученым более эффективно проектировать и создавать материалы с заранее заданными свойствами.

В биомедицине пористые волокнистые структуры используются, например, в тканевой инженерии, для создания каркасов (скаффолдов), имитирующих внеклеточный матрикс, или в высокоэффективных фильтрационных системах для очистки и разделения биологических сред. Точный контроль пористости здесь определяет способность клеток к прорастанию и общую биосовместимость конструкции.

В аэрокосмической отрасли такие материалы являются основой для создания легких и прочных композитов, акустических и теплоизоляционных экранов для космических аппаратов и современных летательных аппаратов. Снижение веса при сохранении прочности — ключевой фактор для экономии топлива и увеличения полезной нагрузки. Пористость напрямую влияет на такие характеристики, как плотность, жесткость и способность материала выдерживать экстремальные термические и механические нагрузки.

Помимо этих двух областей, перспективные волокнистые материалы используются в энергетике, химической промышленности, в производстве сорбентов и высокотехнологичных фильтров. Простота и точность нового метода делают его универсальным инструментом для инженеров, работающих с любыми иерархически структурированными композитами.