Sedan deras upptäckt 1895, Röntgenstrålar har lett till betydande framsteg inom vetenskap, medicin och industri. Från att undersöka avlägsna galaxer till screening på flygplatsens säkerhet och underlätta medicinsk diagnos, de har tillåtit oss att se bortom ytan och se vad som ligger under.

Nu, ett samarbete mellan A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) och Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA har föreslagit en mångsidig, riktad röntgenkälla som kan passa på en laboratoriebänk och är baserad på det spännande tvådimensionella materialet grafen.

Röntgenstrålar är högfrekventa elektromagnetiska vågor som kan genereras med röntgenrörsteknik eller från enorma källor som synkrotroner och kilometrelånga fria elektronlasrar.

Men röntgenrörkällor, populärt används inom medicinsk diagnostik, avge strålning i alla riktningar, slösa en betydande mängd av de genererade röntgenstrålarna. De är inte heller "avstämbara", vilket innebär att en annan röntgenkälla måste installeras i en diagnosanordning för varje önskad våglängd.

Kilometerlånga fria elektronlasrar, å andra sidan, kan producera intensiv, justerbara röntgenstrålar genom att accelerera fria elektroner till extremt höga energier och sedan få dem att "vifta" med hjälp av magneter. Men dessa enorma röntgenkällor finns bara på några få platser i världen och är inrymda i mycket stora, dyra anläggningar.

En röntgenkälla som är både liten och kraftfull har varit eftertraktad under en tid.

För detta ändamål, teamet av SIMTech-MIT-forskare använde grafen, ett oneatom-tjockt ark med kolatomer, som, bland annat, kan stödja plasmoner:samlingar av elektroniska svängningar som kan användas för att begränsa och manipulera ljus på skalor på cirka tio nanometer.

Teamet utvecklade först ett robust simuleringsverktyg som modellerar den exakta fysiken hos elektroner som interagerar med ett plasmonfält som uppstår på ett grafenark som är deponerat på en bit "dielektrisk", eller isolerande, material. Genom att utföra numeriska simuleringar, teamet visade att denna uppställning inducerar en "viftande" rörelse i elektroner som avfyras genom grafenplasmonerna, vilket får elektronerna att producera högfrekvent röntgenstrålning. Simuleringarna överensstämde med den analytiska teori som utvecklats av teamet för att förklara hur elektroner och plasmoner interagerar för att producera röntgenstrålar.

En utmärkande egenskap hos en sådan källa är dess 'poängbarhet', vilket kommer att öka effektiviteten och därmed minska kostnaderna genom att säkerställa att all genererad strålning går dit den är avsedd. Detta kommer att göra källan lovande för medicinska behandlingar eftersom den kan användas för att rikta tumörer mer exakt och därmed minimera skador på omgivande organ och celler.

Kanske mest attraktivt blir källans mångsidighet. Utstrålningsfrekvensen kan ställas in i realtid från längre infraröda strålar till kortare röntgenstrålar genom att modifiera olika element i källan, såsom elektronernas hastighet, frekvensen av grafenplasmonerna och grafenens konduktivitet.

Denna flexibla, kompakt källa är lovande som ett kostnadseffektivt alternativ till de högintensiva strålarna som används för grundläggande vetenskaplig och biomedicinsk forskning. "Även om det är en lång väg att gå till verklig förverkligande, detta är en mycket spännande forskningsinriktning, "säger Liang Jie Wong från SIMTech." Att utveckla en intensiv röntgenkälla som kan passa på ett bord eller hållas i handen skulle potentiellt revolutionera många vetenskaps- och teknikområden. "

Teamet planerar därefter att experimentellt verifiera sitt koncept med principprövningar.