來自Skoltech的研究人員及其在俄羅斯和西班牙的同事報告了一種新的輻射安全方法的概念驗證演示，該方法用于在納米尺度上繪制材料樣本的內(nèi)部結(jié)構和應力分布圖，其分辨率約為100倍。目前可用的技術：X射線和中子斷層掃描。該團隊認為，其3D應力納米斷層掃描最終可能成為納米技術的標準計量技術。該研究發(fā)表在《固體力學與物理學雜志》上。

材料的特性在壓力下會發(fā)生變化，人類技術已經(jīng)利用這一點，從古代鐵匠鍛造金屬制品到預應力混凝土，使我們這個時代的一些最高建筑物和最大橋梁得以存在。現(xiàn)在，從事超小型設備的工程師也可以從受壓材料中受益，其中許多是難以提前設想的。但有一個警告。

研究合著者、Skoltech教授NikolaiBrilliantov解釋說：“要利用受壓材料，您需要一種方法來精確地判斷應力在內(nèi)部的分布情況，以及樣品的特性如何變化。”“這涉及內(nèi)部不均勻性的3D映射，例如密集點和空腔，這通常通過斷層掃描來完成。”

與熟悉的CT掃描類似，斷層掃描通常表示逐層研究對象內(nèi)部結(jié)構而不損壞它的方法。物體從多個角度被照亮，通過的輻射在另一側(cè)被檢測到。對于許多“切割”樣本的單獨平面重復此操作，產(chǎn)生一系列2D“切片”，然后通過一些相當復雜的數(shù)學組合成一個完整的3D模型。

兩種可能有助于壓力感知納米技術的斷層掃描依賴于X射線和中子來篩選樣本。兩者都會在操作期間對人員造成直接輻射危害，并在工作場所誘發(fā)“二次”放射性。由于樣品反復暴露于高能射線，該過程還存在損壞樣品的風險。最重要的是，用于檢測通過輻射的傳感器的晶粒尺寸太大。也就是說，它們無法獲得真正的納米分辨率圖像。至于透射電子顯微鏡，它的主要限制是樣品應該是極薄的切片。

“我們解決了所有這些缺點，并通過展示一種新的斷層掃描技術來解決所有這些缺點，并為未來的納米技術應用開辟道路，這種斷層掃描技術的分辨率提高了大約100倍，并且不使用有害輻射，避免了健康問題和對樣品的損害，”Brilliantov說.

應力納米斷層掃描的核心是壓電現(xiàn)象：一些材料在受到機械應力時會積聚電荷。被稱為壓電材料，這些材料包括一個稱為鐵電體的子類，其中應力到電的轉(zhuǎn)換特別明顯。后者在研究中被用作分析樣本，但據(jù)該團隊稱，新的應力斷層掃描應該也適用于其他固體材料，但在這種情況下，鐵電體必須起到輔助作用。

以下是概念驗證系統(tǒng)的工作原理。一根金屬針在鐵電材料的表面上沿不同方向滑動多次，并以不同的力向下壓。同時，材料在壓力下產(chǎn)生的變化電場被記錄為金屬尖端感應的電流脈沖。由于測量的電場與材料在任何給定點的局部密度直接相關，因此可以從這些數(shù)據(jù)中重建樣品的內(nèi)部結(jié)構及其應力分布。

從收集的斷層掃描數(shù)據(jù)中重建3D結(jié)構被稱為解決逆問題，這絕非易事。“這是第一次解決壓電材料的逆問題，”研究合著者、Skoltech研究科學家GlebRyzhakov評論道。“首先，我們必須創(chuàng)建一個模型，解釋當金屬尖端滑過樣品表面時實際發(fā)生的物理情況。其次，我們想出了解決逆問題的數(shù)學工具。第三，我們開發(fā)了一個應用軟件從記錄的電流信號中恢復斷層掃描圖像的套件。”

據(jù)該團隊稱，未來增強該技術的方法之一將是擴大可以研究其內(nèi)部構成的材料范圍，以包括非壓電固體。“這是一個復雜的工程問題：如果我們可以制造出非常薄但耐用的壓電薄膜，我們可以將它放置在斷層掃描儀的金屬尖端和樣品之間。理論上，它應該適用于任意材料，但電場測量必須非常精確，”Ryzhakov補充道。

“我們預計，在未來，這種應力納米斷層掃描技術將常規(guī)地納入眾多基于應力的納米技術中，”Brilliantov總結(jié)道。

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