Nationell säkerhet:Frasen resonerar som ett trumslag nuförtiden.

Bara ett exempel:I sin budget för 2017 i korthet, US Department of Homeland Security listar bland sina prioriteringar att tilldela 103,9 miljoner dollar för radiologisk och nukleär detektionsutrustning "för att hålla amerikanska infartshamnar säkra och säkra genom att upptäcka och förbjuda olagligt radioaktivt eller nukleärt material."

Ett team som leds av Northeasterns Swastik Kar och Yung Joon Jung har utvecklat en teknik som kan räcka långt för att uppnå det målet. "Vår detektor kan dramatiskt förändra sättet och precisionen med vilket vi kan upptäcka kärnvapenhot hemma eller utomlands, säger Kar, docent vid institutionen för fysik.

Det kan också hjälpa till att effektivisera radiomedicin, inklusive strålbehandlingar och skanningsdiagnostik, öka effektiviteten hos obemannade strålningsövervakningsfordon vid kartläggning och övervakning av förorenade områden efter katastrofer, och revolutionera radiometrisk avbildning i rymdutforskning.

Tillverkad av grafen och kolnanorör, forskarnas detektor överträffar vida alla befintliga i sin ultrakänslighet för laddade partiklar, liten storlek, krav på låg effekt, och låg kostnad.

Möjliggör säkerhet och säkerhet

All strålning, självklart, är inte skadligt, och även vilken typ som kan vara beror på dosering och exponeringslängd. Ordet "strålning" syftar helt enkelt på emission och utbredning av energi i form av vågor eller partiklar. Den har många källor, inklusive solen, elektroniska enheter som mikrovågor och mobiltelefoner, synligt ljus, röntgenstrålar, gammavågor, kosmiska vågor, och kärnklyvning, vilket är det som producerar kraft i kärnreaktorer.

De flesta av de skadliga strålningarna är "joniserande strålning" - de har tillräcklig energi för att avlägsna elektroner från omgivande atomers omloppsbanor, får dem att bli laddade, eller "joniserad".

Det är de laddade partiklarna, eller joner, att detektorerna tar upp och kvantifierar, avslöjar strålningens intensitet. De flesta aktuella detektorer, dock, är inte bara skrymmande, makt hungrig, och dyrt, de kan inte heller ta upp mycket låga nivåer av joner. Kar och Yung Joons detektor, å andra sidan, är så känslig att den bara kan ta upp en laddad partikel.

"Våra detektorer är många storleksordningar mer känsliga när det gäller hur liten signal de kan upptäcka, " säger Yung Joon, docent vid institutionen för maskin- och industriteknik. "Vår kan upptäcka en jon, den grundläggande gränsen. Om du kan upptäcka en enda jon, då kan du upptäcka allt större än så."

Överväg en gränsvakt vid den amerikanska tullen, säger Kar. Han eller hon använder en geigerräknare för att söka efter kärnämne i ett fartygs last. Sådant material kan vara gömt inuti en blybehållare, gör att strålningsnivåerna läcker ut för låga för att geigerräknaren ska kunna upptäcka, eller så kan vakten vara 100 meter från källan, låter intensiteten av strålningen försvinna innan den når detektorn. "Det betyder att vakten inte bara misslyckas med att upptäcka läckan utan också utsätts för strålning på okända nivåer, " säger Kar. "Med vår teknik, vakten kunde upptäcka dolda källor på säkert avstånd, eller till och med med en drönare."

Tvärvetenskapligt genombrott

Den ultrakänsliga detektorn utvecklades ur ett unikt tvärvetenskapligt partnerskap mellan Kar och Yung Joon, som har samarbetat i mer än 10 år. "Vi skulle inte ha gjort den här upptäckten utan bidrag från var och en av oss, säger Yung Joon.

Yung Joons expertis är inom nanotillverkning av kol. Han arbetar med grafen, ett oändligt tunt gitter som är starkare än stål av tätt packade kolatomer, och kolnanorör - ark av grafen rullade till ihåliga rör med väggar som bara är en atom tjocka.

Kar är specialiserad på den underliggande fysiken för kolnanorör och andra material, inklusive de kvantmekaniska egenskaperna som beskriver deras elektriska konduktans.

"När en laddad partikel sitter på ytan av ett material, materialet genomgår en liten förändring i sin elektriska egenskap, " säger Kar. På ett skrymmande material, partikeln påverkar ytan men resten av materialet förblir oförändrat. På kolnanorör, som i huvudsak bara är ytmaterial på grund av sina exceptionellt tunna väggar, partikeln ändrar väsentligt materialets totala elektriska konduktans. "Så effekten av partikeln blir mycket mer mätbar, säger Kar.

Ji Hao, PhD'17, en maskinteknikstudent i Yung Joons labb, upptäckte kolnanorörs känslighet för laddade partiklar av misstag när de testade nanorören inuti en vakuummätare. Han blev förbryllad över förändringarna i nanorörens elektriska motstånd när han slog på och av mätaren. "Han trodde att han hade en dysfunktionell krets som gav upphov till förändringarna, " säger Kar. "Han visste inte vid den tiden att den lilla mängd joner som frigörs från mätaren kan mätbart påverka de elektriska egenskaperna hos kolnanorör. Tro det eller ej, Till en början försökte han mycket hårt för att bli av med förändringarna."

Efter att ha utvecklat detektortekniken, paret är nu fokuserade på att bygga prototypdetektorer för olika typer av strålning som är relevanta för vissa discipliner, inklusive röntgenstrålar och beta-partiklar. I processen, de undersöker kommersialiseringen av sin uppfinning med en utmärkelse från National Science Foundation. "Detta kommer att göra det möjligt för oss att identifiera potentiella kunder för alla produkter vi kan bygga, säger Kar.

Yung Joon tillägger:"Vårt mål är att lära oss vilken typ av mått varje specifik arena behöver."