Et gyldent lag låser op for skarpere billeddannelse og hurtigere scanning med røntgenstråler

Disse rislende elektroner, også kaldet plasmoner, kan interagere med scintillerende materialer for at accelerere emissionen af ​​synligt lys fra materialerne, efter at de har reageret med røntgenstråler. Dette får så det afgivne lys til at blive mere intenst.

Dette står i kontrast til ikke-plasmoniske materialer, hvis elektroner ikke interagerer med stråling på samme måde. Som følge heraf bevæger de sig ikke på en koordineret bølgelignende måde og fremskynder ikke synlig lysemission ved hjælp af scintillerende materialer.

Til forskningen brugte eksperimenterne guld, der kun var 70 nanometer tykt, eller omkring 1.000 gange tyndere end et hårstrå. Brug af et tyndt lag guld hjælper med at holde materialeomkostningerne nede og holder størrelsen på fremtidige røntgendetektorer kompakt.

Forskerne tilføjede det plasmoniske guldlag til et glitrende materiale kaldet butylammoniumblybromid, fra "perovskit"-familien af ​​forbindelser. Perovskiter er kendt for deres evne til at omdanne sollys til elektricitet i solceller.

Denne "nanoplasmoniske" undersøgelse blev udført i samarbejde mellem CNRS-International-NTU-Thales Research Alliance, et NTU-baseret fransk-singaporeansk fælles forskningslaboratorium; Institut Lumière Matière CNRS baseret på Université Claude Bernard Lyon 1 i Frankrig; og Nano Center Indonesia.

Nanyang assisterende professor Wong Liang Jie, studieleder fra NTU Singapores School of Electrical and Electronic Engineering, sagde:"Vores resultater fremhæver nanoplasmonics enorme potentiale i at optimere ultrahurtige billeddannelsessystemer, hvor høj rumlig opløsning og høj kontrast er nødvendig, som f.eks. som røntgenbioimaging og mikroskopi."

Asst Prof Wong sagde, at de forbedringer i røntgendetektion, som undersøgelsen demonstrerede, også gavner lufthavnssikkerhedsgodkendelsen, da genstande i bagagen måske nemmere kan opdages med skarpere røntgenbilleder af højere kvalitet, mens tasker kunne screenes mere hurtigt.

Dr. Muhammad Danang Birowosuto, studieleder fra Lukasiewicz Research Network-PORT Polish Center for Technology Development og en tidligere NTU-forsker, sagde:"At kombinere denne forbedring med andre teknologier vil resultere i avancerede funktionaliteter inden for stråling billeddannelse, såsom at forbedre røntgenanalyse udført i farver eller forbedre nøjagtigheden af ​​'time-of-flight' røntgenmedicinsk billeddannelse."

En talsmand for det multinationale selskab Thales sagde, at "ideen om at kombinere de fysiske fænomener af fotoniske strukturer - strukturer, der ændrer, hvordan lys opfører sig - med scintillerende materialer til røntgenstråledetektorer repræsenterer et interessant koncept for at øge effektiviteten af ​​den nuværende generation af detektorer. "

"Thales fortsætter med at overvåge videnskabelige fremskridt på dette område med stor interesse og glæder sig over Asst Prof Wongs gennembrud på dette område," tilføjede talsmanden.

Gylden mulighed

Inspirationen til at bruge guld som et plasmonisk materiale sammen med glitrende materialer opstod fra et ægteskab mellem to forskningsområder, som ikke var blevet udforsket før for røntgendetektorer.

Medlemmer af forskerholdet fandt tidligere ud af, at efter at visse stoffer absorberede synligt lys, afgav de også synligt lys, som kunne blive lysere, hvis tyndt plasmonisk guld på nanometerskalaen blev tilføjet.

På det tidspunkt arbejdede andre medlemmer af teamet, som studerede, hvordan strukturer i nanostørrelse forbedrer røntgengenerering, også på røntgenopdagelse.

Når man så på de nanoplasmoniske resultater, slog en idé holdet:Da røntgenopdagelse i røntgenscannere også afhænger af stoffer, der absorberer stråling for at udsende synligt lys, kunne plasmoniske materialer i nanoskala forstærke detektorer i disse scannere?

Forskerne satte sig derefter for at bevise dette eksperimentelt med guld.

Forskerne planlægger næste gang at tilføje hak-lignende mønstre i nanostørrelse til overfladen af ​​guldlaget for at booste det synlige lys afgivet af røntgenabsorberende glitrende materialer, da tidligere forskning har vist, at bittesmå hak kan forbedre produktionen af ​​synligt lys.

Dr. Dennis Schaart, leder af afdelingen for medicinsk fysik og teknologi i afdelingen for strålingsvidenskab og teknologi ved det hollandske teknologiske universitet i Delft, sagde, at resultaterne "åbner en ny vej til forbedring af strålingsbilleddetektorer baseret på scintillatorer."

Scintillatorer konverterer røntgen- eller gammastrålefotoner til målbare lyssignaler til applikationer såsom medicinsk billeddannelse i computertomografi (CT)-scanninger, ikke-destruktive tests som dem til kvalitetssikring i industriel produktion og sikkerhedsgodkendelse ved hjælp af lufthavnsbagagescannere.

Dr. Schaart - der forsker i nye teknologier til medicinsk billeddannelse og strålingsonkologi og ikke var involveret i undersøgelsen - sagde, at ydeevnegrænserne for almindeligt kendte scintillationsmekanismer er tæt på at være nået. Men der er fortsat et vedvarende behov for endnu bedre løsninger.

"Resultaterne præsenteret i denne seneste forskning peger på vejen mod en ny klasse af scintillationsdetektorer, hvor intensiteten og hastigheden af ​​lysemission forbedres gennem manipulation af kvantemekaniske fænomener," sagde han.

"Det giver i princippet meget spændende perspektiver for scintillatorudviklere til at konstruere optimale materialer til en bred vifte af anvendelser. Hvis resultaterne i forskningen kan reproduceres og skaleres til industrielt producerede scintillatorer, vil dette sandsynligvis bidrage til f.eks. præcis, mere overkommelig og mere tilgængelig medicinsk diagnose samt hurtigere sikkerhedsscanninger."

Flere oplysninger: Wenzheng Ye et al., The Nanoplasmonic Purcell Effect in Ultrafast and High-Light-Yield Perovskite Scintillatorer, Avancerede materialer (2024). DOI:10.1002/adma.202309410

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Nanyang Technological University