Verdensrekord slået for den tyndeste røntgendetektor, der nogensinde er skabt

Forskere i Australien har brugt tinmonosulfid (SnS) nanoark til at skabe den tyndeste røntgendetektor, der nogensinde er lavet, hvilket potentielt muliggør realtidsbilleddannelse af cellulær biologi.

Røntgendetektorer er værktøjer, der gør det muligt at genkende energi, der transporteres af stråling, visuelt eller elektronisk, såsom medicinsk billeddannelse eller geigertællere.

SnS har allerede vist meget lovende som et materiale til brug i solceller, felteffekttransistorer og katalyse.

Nu har medlemmer af ARC Center of Excellence in Exciton Science, baseret på Monash University og RMIT University, vist, at SnS nanosheets også er fremragende kandidater til brug som bløde røntgendetektorer.

Deres forskning, offentliggjort i tidsskriftet Advanced Functional Materials , indikerer, at SnS nanoark har høje fotonabsorptionskoefficienter, hvilket gør det muligt at bruge dem til fremstilling af ultratynde bløde røntgendetektorer med høj følsomhed og hurtig responstid.

Disse materialer viste sig at være endnu mere følsomme end en anden ny kandidat (metalhalogenid-perovskiter), med en hurtigere responstid end etablerede detektorer og kan indstilles til følsomhed på tværs af det bløde røntgenområde.

SnS røntgendetektorerne skabt af holdet er mindre end 10 nanometer tykke. For at sætte tingene i perspektiv er et ark papir omkring 100.000 nanometer tykt, og dine negle vokser omkring en nanometer hvert sekund. Tidligere var de tyndeste røntgendetektorer skabt mellem 20 og 50 nanometer.

Der er et betydeligt arbejde tilbage for at udforske det fulde potentiale af SnS røntgendetektorerne, men professor Jacek Jasieniak fra Monashs afdeling for materialevidenskab og ingeniørvidenskab, den seniorforfatter af papiret, mener, at det er muligt, at dette en dag kan føre til billeddannelse i realtid af cellulære processer.

"SnS nanoarkene reagerer meget hurtigt inden for millisekunder," sagde han.

"Du kan scanne noget og få et billede næsten øjeblikkeligt. Registreringstiden dikterer tidsopløsningen. I princippet, givet den høje følsomhed og høje tidsopløsning, kunne du være i stand til at se tingene i realtid.

"Du kan muligvis bruge dette til at se celler, mens de interagerer. Du producerer ikke bare et statisk billede, du kan se proteiner og celler udvikle sig og bevæge sig ved hjælp af røntgenstråler."

Hvorfor er sådanne følsomme og responsive detektorer vigtige? Røntgenstråler kan groft opdeles i to typer:"Hårde" røntgenstråler er den slags, som hospitaler bruger til at scanne kroppen for brækkede knogler og andre sygdomme.

Måske mindre kendt, men lige så vigtigt er "bløde" røntgenstråler, som har en lavere fotonenergi og kan bruges til at studere våde proteiner og levende celler, en afgørende komponent i cellulær biologi.

Nogle af disse målinger finder sted i "vandvinduet", et område af det elektromagnetiske spektrum, hvor vand er gennemsigtigt for bløde røntgenstråler.

Blød røntgendetektion kan udføres ved hjælp af en Synchrotron, en partikelaccelerator som Large Hadron Collider i Schweiz, men adgang til denne type enormt dyr infrastruktur er svær at sikre.

Nylige fremskridt inden for bløde røntgenlaserkilder, der ikke er synkrotroner, kan gøre det muligt at designe billigere bærbare detektionssystemer, hvilket giver et tilgængeligt alternativ til synkrotroner for forskere over hele verden.

Men for at denne tilgang skal fungere, har vi brug for bløde røntgendetektormaterialer, der er meget følsomme over for lavenergi røntgenstråler, giver fremragende rumlig opløsning og er omkostningseffektive.

Nogle eksisterende bløde røntgendetektorer bruger en indirekte mekanisme, hvor ioniserende stråling omdannes til synlige fotoner. Denne tilgang giver mulighed for at studere flere energiområder og billedhastigheder, men den er svær at forberede og tilbyder begrænsede opløsninger.

Direkte detektionsmetoder er nemmere at forberede og giver bedre opløsninger, fordi detektormaterialet kan være tyndere end indirekte tilgange.

Gode ​​kandidatmaterialer har brug for en høj røntgenabsorptionskoefficient, som beregnes ved hjælp af de absorberende atomers atomnummer, røntgenstråleenergi, tæthed og atommasse af et atom.

Høj atommasse og lavenergi røntgenstråler favoriserer høj absorption, og bløde røntgenstråler absorberes stærkere i tynde materialer sammenlignet med hårde røntgenstråler.

Nanokrystalfilm og ferromagnetiske flager har vist lovende som visse typer bløde røntgendetektorer, men de er ikke godt rustet til at håndtere vandområdet.

Det er her, SnS nanosheets kommer ind.

En af hovedforfatterne, Dr. Nasir Mahmood fra RMIT University, sagde, at følsomheden og effektiviteten af ​​SnS nanoark afhænger i høj grad af deres tykkelse og laterale dimensioner, som ikke er mulige at kontrollere gennem traditionelle fremstillingsmetoder.

Ved at bruge en flydende metalbaseret eksfolieringsmetode tillod forskerne at producere plader af høj kvalitet, stort område med kontrolleret tykkelse, som effektivt kan detektere bløde røntgenfotoner i vandområdet. Deres følsomhed kan forstærkes yderligere ved at stable de ultratynde lag.

De repræsenterer store forbedringer i følsomhed og responstid sammenlignet med eksisterende direkte bløde røntgendetektorer.

Forskerne håber, at deres resultater vil åbne nye veje for udviklingen af ​​næste generation, meget følsomme røntgendetektorer baseret på ultratynde materialer.

Førsteforfatter Dr. Babar Shabbir fra Monashs afdeling for materialevidenskab og teknik sagde:"I det lange løb, for at kommercialisere dette, er vi nødt til at teste en mange-pixel enhed. På dette stadium har vi ikke billeddannelsessystemet. Men dette giver os en vidensplatform og en prototype." + Udforsk yderligere

Fleksibel, bærbar røntgendetektor kræver ikke tungmetaller