Esta fotografia mostra dois elementos MEMS em um único chip, com os elementos ativos de 250 μm × 250 μm. Uma micrografia (inserção superior) do tamanho real do elemento difrativo, em comparação com uma seção de cabelo humano (inserção inferior). Crédito:Jin Wang
Os pesquisadores desenvolveram novas ópticas de raios-X que podem ser usadas para controlar pulsos extremamente rápidos em um pacote que é significativamente menor e mais leve do que os dispositivos convencionais usados para modular os raios-X. A nova ótica é baseada em dispositivos baseados em chips microscópicos conhecidos como sistemas microeletromecânicos (MEMS).
"Nossa nova ótica ultrarrápida em um chip está pronta para permitir pesquisas e aplicações de raios-X que podem ter um amplo impacto na compreensão de produtos químicos em rápida evolução, materiais e processos biológicos, "disse o líder da equipe de pesquisa Jin Wang, do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA." Isso poderia ajudar no desenvolvimento de baterias e células solares mais eficientes, materiais e dispositivos avançados de armazenamento de computador, e medicamentos mais eficazes para combater doenças. "
No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , os pesquisadores demonstraram seu novo dispositivo óptico de raio-X em um chip, que mede cerca de 250 micrômetros e pesa apenas 3 microgramas, usando a fonte de raios-X no síncrotron Advanced Photon Source da Argonne. O minúsculo dispositivo teve desempenho de 100 para 1, 000 vezes mais rápido do que a óptica convencional de raios-X, que tendem a ser volumosos.
"Embora tenhamos demonstrado o dispositivo em uma grande instalação de síncrotron de raios-X, quando totalmente desenvolvido, pode ser usado com geradores de raios-X convencionais encontrados em laboratórios científicos ou hospitais, "disse Wang." A mesma tecnologia também poderia ser usada para desenvolver outros dispositivos, como sistemas de distribuição de dosagem precisa para terapia de radiação ou scanners de raio-X rápidos para diagnósticos não destrutivos.
Capturando processos rápidos
Os raios X podem ser usados para capturar processos muito rápidos, como reações químicas ou a rápida mudança da dinâmica de moléculas biológicas. Contudo, isso requer uma câmera de velocidade extremamente alta com uma velocidade de obturação rápida. Como muitos materiais opacos à luz são transparentes aos raios X, pode ser difícil melhorar a velocidade dos obturadores eficazes para os raios X.
O novo dispositivo MEMS de raios-X é usado dentro deste gabinete de experimentos na Fonte Avançada de Fótons. É mostrado o difratômetro de 6 círculos que manipula a ótica MEMS em uma câmara de vácuo. Crédito:Jin Wang
Para resolver este desafio, a equipe de pesquisa, consistindo de cientistas da Fonte Avançada de Fótons e Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, virou-se para dispositivos baseados em MEMS. "Além de ser usado em muitos dos eletrônicos que usamos diariamente, MEMS também são usados para manipular luz para comunicação de alta velocidade, ", disse Wang." Queríamos descobrir se os dispositivos fotônicos baseados em MEMS podem desempenhar funções semelhantes para os raios X, como fazem com a luz visível ou infravermelha ".
No novo trabalho, os pesquisadores mostram que o tamanho e o peso extremamente pequenos de seu obturador baseado em MEMS permitem que ele oscile a velocidades equivalentes a cerca de um milhão de rotações por minuto (rpm). Os pesquisadores aproveitaram essa alta velocidade e a propriedade difrativa de raios-X do material MEMS para criar um obturador de raios-X extremamente rápido.
Aumentando a velocidade do obturador
Usando sua nova ótica em um chip com raios-X produzidos pela Advanced Photon Source, os pesquisadores demonstraram que ele pode fornecer uma velocidade de obturador estável de até um nanossegundo com um contraste liga / desliga extremamente alto. Isso poderia ser usado para extrair pulsos de raios-X únicos da fonte, mesmo se os pulsos estivessem apenas 2,8 nanossegundos separados um do outro.
"Mostramos que nossa nova tecnologia baseada em chip pode executar funções que não eram possíveis com a óptica convencional de grande porte, "disse Wang." Isso pode ser usado para criar sondas ultrarrápidas para estudar processos rápidos em novos materiais. "
Os pesquisadores agora estão trabalhando para tornar os dispositivos mais versáteis e robustos para que possam ser usados continuamente por longos períodos de tempo. Eles também estão integrando os sistemas periféricos usados com os minúsculos dispositivos MEMS baseados em chip em um instrumento autônomo implantável.
