新的计量技术使用应力进行纳米断层扫描

来自Skoltech的研究人员及其在俄罗斯和西班牙的同事报告了一种新的辐射安全方法的概念验证演示，该方法用于在纳米尺度上绘制材料样本的内部结构和应力分布图，其分辨率约为100倍。目前可用的技术：X射线和中子断层扫描。该团队认为，其3D应力纳米断层扫描最终可能成为纳米技术的标准计量技术。该研究发表在《固体力学与物理学杂志》上。

材料的特性在压力下会发生变化，人类技术已经利用这一点，从古代铁匠锻造金属制品到预应力混凝土，使我们这个时代的一些最高建筑物和最大桥梁得以存在。现在，从事超小型设备的工程师也可以从受压材料中受益，其中许多是难以提前设想的。但有一个警告。

研究合著者、Skoltech教授NikolaiBrilliantov解释说：“要利用受压材料，您需要一种方法来精确地判断应力在内部的分布情况，以及样品的特性如何变化。”“这涉及内部不均匀性的3D映射，例如密集点和空腔，这通常通过断层扫描来完成。”

与熟悉的CT扫描类似，断层扫描通常表示逐层研究对象内部结构而不损坏它的方法。物体从多个角度被照亮，通过的辐射在另一侧被检测到。对于许多“切割”样本的单独平面重复此操作，产生一系列2D“切片”，然后通过一些相当复杂的数学组合成一个完整的3D模型。

两种可能有助于压力感知纳米技术的断层扫描依赖于X射线和中子来筛选样本。两者都会在操作期间对人员造成直接辐射危害，并在工作场所诱发“二次”放射性。由于样品反复暴露于高能射线，该过程还存在损坏样品的风险。最重要的是，用于检测通过辐射的传感器的晶粒尺寸太大。也就是说，它们无法获得真正的纳米分辨率图像。至于透射电子显微镜，它的主要限制是样品应该是极薄的切片。

“我们解决了所有这些缺点，并通过展示一种新的断层扫描技术来解决所有这些缺点，并为未来的纳米技术应用开辟道路，这种断层扫描技术的分辨率提高了大约100倍，并且不使用有害辐射，避免了健康问题和对样品的损害，”Brilliantov说.

应力纳米断层扫描的核心是压电现象：一些材料在受到机械应力时会积聚电荷。被称为压电材料，这些材料包括一个称为铁电体的子类，其中应力到电的转换特别明显。后者在研究中被用作分析样本，但据该团队称，新的应力断层扫描应该也适用于其他固体材料，但在这种情况下，铁电体必须起到辅助作用。

以下是概念验证系统的工作原理。一根金属针在铁电材料的表面上沿不同方向滑动多次，并以不同的力向下压。同时，材料在压力下产生的变化电场被记录为金属尖端感应的电流脉冲。由于测量的电场与材料在任何给定点的局部密度直接相关，因此可以从这些数据中重建样品的内部结构及其应力分布。

从收集的断层扫描数据中重建3D结构被称为解决逆问题，这绝非易事。“这是第一次解决压电材料的逆问题，”研究合著者、Skoltech研究科学家GlebRyzhakov评论道。“首先，我们必须创建一个模型，解释当金属尖端滑过样品表面时实际发生的物理情况。其次，我们想出了解决逆问题的数学工具。第三，我们开发了一个应用软件从记录的电流信号中恢复断层扫描图像的套件。”

据该团队称，未来增强该技术的方法之一将是扩大可以研究其内部构成的材料范围，以包括非压电固体。“这是一个复杂的工程问题：如果我们可以制造出非常薄但耐用的压电薄膜，我们可以将它放置在断层扫描仪的金属尖端和样品之间。理论上，它应该适用于任意材料，但电场测量必须非常精确，”Ryzhakov补充道。

“我们预计，在未来，这种应力纳米断层扫描技术将常规地纳入众多基于应力的纳米技术中，”Brilliantov总结道。

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