Ny optik-på-en-chip-enhed baner vej for at fange hurtigt kemikalier, materiale og biologiske processer

Forskere har udviklet ny røntgenoptik, der kan bruges til at udnytte ekstremt hurtige pulser i en pakke, der er betydeligt mindre og lettere end konventionelle enheder, der bruges til at modulere røntgenstråler. Den nye optik er baseret på mikroskopiske chipbaserede enheder kendt som mikroelektromekaniske systemer (MEMS).

"Vores nye ultrahurtige optik-på-en-chip er klar til at muliggøre røntgenforskning og applikationer, der kan have en bred indflydelse på forståelsen af ​​hurtigt udviklende kemikalier, materielle og biologiske processer, "sagde forskerteamleder Jin Wang fra U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory." Dette kan hjælpe med udviklingen af ​​mere effektive solceller og batterier, avancerede computermagermaterialer og -enheder, og mere effektive lægemidler til bekæmpelse af sygdomme. "

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik Express , forskerne demonstrerede deres nye røntgenoptik-på-en-chip-enhed, som måler omkring 250 mikrometer og vejer kun 3 mikrogram, ved hjælp af røntgenkilden ved Argonnes Advanced Photon Source synkrotron. Den lille enhed udførte 100 til 1, 000 gange hurtigere end konventionel røntgenoptik, som har tendens til at være omfangsrige.

"Selvom vi demonstrerede enheden i et stort røntgensynkrotronanlæg, når den er fuldt udviklet, det kan bruges med konventionelle røntgengeneratorer, der findes i videnskabelige laboratorier eller hospitaler, "sagde Wang." Den samme teknologi kunne også bruges til at udvikle andre enheder, såsom præcise doseringssystemer til strålebehandling eller hurtige røntgenscannere til ikke-destruktiv diagnostik. "

Optagelse af hurtige processer

Røntgenstråler kan bruges til at fange meget hurtige processer, såsom kemiske reaktioner eller de hurtigt skiftende dynamikker i biologiske molekyler. Imidlertid, dette kræver et ekstremt højhastighedskamera med en hurtig lukkerhastighed. Fordi mange materialer, der er uigennemsigtige for lys, er gennemsigtige for røntgenstråler, kan det være svært at forbedre hastigheden på skodder, der er effektive til røntgenstråler.

For at løse denne udfordring, forskergruppen, bestående af forskere fra Argonnes Advanced Photon Source og Center for Nanoscale Materials, vendte sig til MEMS-baserede enheder. "Udover at blive brugt i mange af de elektronikker, vi bruger dagligt, MEMS bruges også til at manipulere lys til højhastighedskommunikation, "sagde Wang." Vi ville finde ud af, om MEMS-baserede fotoniske enheder kan udføre lignende funktioner for røntgenstråler, som de gør med synligt eller infrarødt lys. "

I det nye værk, forskerne viser, at den ekstremt lille størrelse og vægt af deres MEMS-baserede lukker gør det muligt at svinge ved hastigheder, der er ækvivalente med omkring en million omdrejninger i minuttet (omdr./min.). Forskerne udnyttede denne høje hastighed og MEMS-materialets røntgendiffraktive egenskab til at skabe en ekstremt hurtig røntgenlukker.

Forøgelse af lukkerhastighed

Ved hjælp af deres nye optik-på-en-chip med røntgenstråler produceret af Advanced Photon Source, forskerne demonstrerede, at det kunne give en stabil lukkerhastighed så hurtigt som et nanosekund med en ekstremt høj tænd/sluk -kontrast. Dette kan bruges til at ekstrahere enkelte røntgenpulser fra kilden, selvom pulserne kun var 2,8 nanosekunder fra hinanden.

"Vi viser, at vores nye chipbaserede teknologi kan udføre funktioner, der ikke er mulige med konventionel stor optik, "sagde Wang." Dette kan bruges til at skabe ultrahurtige sonder til at studere hurtige processer i nye materialer. "

Forskerne arbejder nu på at gøre enhederne mere alsidige og robuste, så de kan bruges kontinuerligt over lange perioder. De integrerer også de perifere systemer, der bruges med de bittesmå chipbaserede MEMS-enheder, i et enkeltstående instrument, der kan indsættes.