Skoltech 及其俄羅斯和西班牙同事的研究人員通過實驗證實了壓力納米斷層攝影概念的可行性，這是一種考慮納米材料內部結構成像的新方法，同時考慮到它們的密度分佈。他們表明，新型斷層掃描的分辨率幾乎比當今使用的 X 射線和中子斷層掃描高兩個數量級，此外還存在輻射風險。該工作的作者認為，他們的方法在未來可以成為納米技術人員的基本計量工具。

該工作發表在《固體力學與物理學雜誌》上。在壓力下，材料的特性會發生變化——這是賦予人類許多技術的基礎，例如，中世紀刀片的鍛造錦緞鋼或現代橋樑和摩天大樓的預應力混凝土。現在，納米技術緊隨其後，甚至很難提前預測“應力材料”在超小型設備中的所有可能應用。但為了開始探索這個方向，科學家們必須解決一個重要的問題。

該研究的一位作者解釋說：“為了使用受壓納米材料，您需要準確瞭解內部應力在特定樣品或零件中的分佈情況，以及材料特性在不同點的變化情況。” Skoltech 教授 Nikolai Brilliantov。- 為此，繪製內部異質性，特別是壓實和空隙。在這種情況下，使用斷層掃描。

與醫療診所的計算機斷層掃描一樣，廣義上的斷層掃描涉及對物體內部結構的任何逐層研究，而不會破壞它。樣品在許多不同的角度是半透明的，記錄了通過的輻射。這個過程在許多平面上依次重複，產生一系列樣本的二維“切片”，然後可以使用非常複雜的數學方法將其組合成 3D 模型。

當將應力材料引入納米技術時，可以使用 X 射線或中子斷層掃描，但這些方法不能提供高分辨率的納米分辨率圖像，因為傳感器無法在樣品輸出端以足夠的精度捕獲此類輻射。此外，由於所謂的誘導放射性，這些方法在設備操作期間和在受輻射的房間內時都會對人員造成輻射風險。此外，暴露於中子和 X 射線光子會損壞樣品本身。至於透射電子顯微鏡，它需要製備極薄的切片，這極大地限制了它的應用。

壓力納米斷層掃描基於壓電現象：一些稱為壓電體的材料在機械變形時會產生電場。在鐵電體的一個子類中，這種將機械應力轉化為電能的效果尤為明顯，Skoltech 的科學家將這種材料用作分析樣本。然而，根據他們的說法，如果鐵電體用作輔助作用，該方法也適用於其他材料的固體樣品。

基本概念如下：金屬針以不同方向和不同程度的壓力反覆穿過鐵電樣品的表面，讀取在壓力下產生的電場。由於場的特性與材料在某一點或另一處的局部密度有關，因此可以從獲得的數據中提取樣品的內部結構和其中的壓力分佈。

從斷層掃描數據確定樣本的三維結構是一個數學上覆雜的過程，稱為逆問題求解。“在我們的工作中，壓電的逆問題首次得到解決，”該研究的合著者、Skoltech 研究員 Gleb Ryzhakov 說。

“為此，我們首先創建了一個物理模型，該模型解釋了當金屬針滑過樣品表面時會發生什麼。其次，我們開發瞭解決反問題的數學方法。最後，開發了一套計算機程序，將記錄的電信號轉換為最終的 3D 斷層圖像。”

根據科學家的說法，未來開發該方法的一種選擇是使其不僅適用於壓電材料，還適用於其他固體樣品。“問題在於技術實現：如果製造出足夠薄且堅固的壓電板，則可以將其放置在斷層掃描針和正在研究的樣品之間。然後，理論上，只要電場的測量非常準確，一切都應該適用於任意材料，”Ryzhakov 補充道。

“我們預計，未來壓力納米斷層掃描技術將堅定地進入納米技術工具包，並在新應用的出現中發揮作用，”Brilliantov 總結道。