Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Forskare i Australien har använt tennmonosulfid (SnS) nanosheets för att skapa den tunnaste röntgendetektor som någonsin gjorts, vilket potentiellt möjliggör realtidsavbildning av cellulär biologi.
Röntgendetektorer är verktyg som gör att energi som transporteras av strålning kan identifieras visuellt eller elektroniskt, som medicinsk bildbehandling eller geigerräknare.
SnS har redan visat mycket lovande som ett material för användning i solceller, fälteffekttransistorer och katalys.
Nu har medlemmar av ARC Center of Excellence in Exciton Science, baserat vid Monash University och RMIT University, visat att SnS nanosheets också är utmärkta kandidater för användning som mjuka röntgendetektorer.
Deras forskning, publicerad i tidskriften Advanced Functional Materials , indikerar att SnS nanoark har höga fotonabsorptionskoefficienter, vilket gör att de kan användas för att tillverka ultratunna mjuka röntgendetektorer med hög känslighet och snabb svarstid.
Dessa material visade sig vara ännu känsligare än en annan framväxande kandidat (metallhalogenidperovskiter), med en snabbare svarstid än etablerade detektorer och är inställbara för känslighet över det mjuka röntgenområdet.
SnS-röntgendetektorerna som skapats av teamet är mindre än 10 nanometer tjocka. För att sätta saker i perspektiv är ett pappersark cirka 100 000 nanometer tjockt, och dina naglar växer ungefär en nanometer varje sekund. Tidigare var de tunnaste röntgendetektorerna som skapades mellan 20 och 50 nanometer.
Betydligt arbete återstår för att utforska den fulla potentialen hos SnS-röntgendetektorerna, men professor Jacek Jasieniak vid Monashs institution för materialvetenskap och teknik, den seniora författaren till tidningen, tror att det är möjligt att detta en dag kan leda till realtidsavbildning av cellulära processer.
"SnS nanosheets svarar mycket snabbt, inom millisekunder," sa han.
"Du kan skanna något och få en bild nästan omedelbart. Avkänningstiden dikterar tidsupplösningen. I princip, med tanke på den höga känsligheten och den höga tidsupplösningen, skulle du kunna se saker i realtid.
"Du kanske kan använda detta för att se celler när de interagerar. Du producerar inte bara en statisk bild, du kan se proteiner och celler utvecklas och röra sig med hjälp av röntgenstrålar."
Varför är sådana känsliga och känsliga detektorer viktiga? Röntgenstrålar kan grovt delas in i två typer:"Hårda" röntgenstrålar är den typ som används av sjukhus för att skanna kroppen efter brutna ben och andra sjukdomar.
Kanske mindre kända men lika viktiga är "mjuka" röntgenstrålar, som har en lägre fotonenergi och kan användas för att studera våta proteiner och levande celler, en avgörande komponent i cellbiologin.
Vissa av dessa mätningar sker i "vattenfönstret", ett område av det elektromagnetiska spektrumet där vattnet är genomskinligt för mjuka röntgenstrålar.
Mjuk röntgendetektering kan utföras med en Synchrotron, en partikelaccelerator som Large Hadron Collider i Schweiz, men tillgången till denna typ av enormt dyr infrastruktur är svår att säkra.
De senaste framstegen inom mjuka röntgenlaserkällor som inte är synkrotroner kan göra det möjligt att designa bärbara detektionssystem till lägre kostnader, vilket ger ett tillgängligt alternativ till synkrotroner för forskare runt om i världen.
Men för att detta tillvägagångssätt ska fungera behöver vi mjuka röntgendetektormaterial som är mycket känsliga för lågenergiröntgenstrålar, ger utmärkt rumslig upplösning och är kostnadseffektiva.
Vissa befintliga mjuka röntgendetektorer använder en indirekt mekanism, där joniserande strålning omvandlas till synliga fotoner. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att studera flera energiintervall och bildhastigheter, men är svår att förbereda och erbjuder begränsade upplösningar.
Direkta detekteringsmetoder är lättare att förbereda och erbjuder bättre upplösningar, eftersom detektormaterialet kan vara tunnare än indirekta metoder.
Bra kandidatmaterial behöver en hög röntgenabsorptionskoefficient, som beräknas med hjälp av de absorberande atomernas atomnummer, röntgenstrålningsenergi, densitet och atommassa för en atom.
Hög atommassa och lågenergiröntgen gynnar hög absorption, och mjuka röntgenstrålar absorberas starkare i tunna material jämfört med hårda röntgenstrålar.
Nanokristallfilmer och ferromagnetiska flingor har visat sig lovande som vissa typer av mjuka röntgendetektorer, men de är inte väl utrustade för att hantera vattenområdet.
Det är där SnS nanosheets kommer in.
En av huvudförfattarna, Dr. Nasir Mahmood från RMIT University, sa att känsligheten och effektiviteten hos SnS nanosheets i hög grad beror på deras tjocklek och laterala dimensioner, som inte är möjliga att kontrollera med traditionella tillverkningsmetoder.
Genom att använda en flytande metallbaserad exfolieringsmetod kunde forskarna producera högkvalitativa ark med stor yta med kontrollerad tjocklek, som effektivt kan detektera mjuka röntgenfotoner i vattenområdet. Deras känslighet kan förstärkas ytterligare genom en process där de ultratunna lagren staplas.
De representerar stora förbättringar i känslighet och svarstid jämfört med befintliga direkta mjuka röntgendetektorer.
Forskarna hoppas att deras resultat kommer att öppna nya vägar för utvecklingen av nästa generations, mycket känsliga röntgendetektorer baserade på ultratunna material.
Första författaren Dr. Babar Shabbir vid Monashs institution för materialvetenskap och teknik sa:"I det långa loppet, för att kommersialisera detta, måste vi testa en enhet med många pixlar. I det här skedet har vi inte bildsystemet. Men det här ger oss en kunskapsplattform och en prototyp." + Utforska vidare
