Cientistas liderados pela Universidade Tecnológica de Nanyang, Singapura (NTU Singapura) desenvolveram e simularam uma nova forma energeticamente eficiente de gerar raios X altamente focados e controlados com precisão, que são até mil vezes mais intensos do que os dos métodos tradicionais. As descobertas foram publicadas na revista Light:Science &Applications .



Isso abre caminho para imagens de raios X de altíssima qualidade que usam raios X poderosos para detectar falhas em chips semicondutores com precisão. O novo método também poderia permitir a realização de imagens de raios X mais focadas para exames de saúde, usando menos energia.

O novo método é baseado em simulações de computador que disparam elétrons em um material ultrafino com estruturas altamente ordenadas, como o grafeno. O mecanismo básico é semelhante ao modo como os raios X são produzidos convencionalmente usando tubos de raios X. Mas há uma reviravolta:nas simulações, os padrões ondulatórios de como os elétrons viajam são “moldados” de uma maneira muito específica, de modo que o caminho de viagem das partículas corresponda e se sobreponha às posições altamente estruturadas dos átomos do material.

Teoricamente, isso resulta em raios X que são emitidos em intensidades muito mais altas do que o normal e que podem ser controlados com precisão para que sejam gerados em muitas direções diferentes ou em uma única direção geral.

Normalmente, quando os elétrons disparados colidem com os átomos do material, os elétrons são desviados e emitem raios X, no que é chamado de bremsstrahlung ou "radiação de frenagem".

Bremsstrahlung contribui para a maioria dos raios X emitidos em métodos convencionais de geração de radiação usando tubos de raios X. Mas um problema é que os raios X não são focados, pois são emitidos em direções diferentes. Os métodos atuais tentam resolver isso filtrando os raios X para que apenas aqueles emitidos na direção desejada sejam usados. No entanto, mesmo estes raios X filtrados ainda são bastante difundidos.

Uma equipe internacional de cientistas da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura, da Universidade de Stanford, do Instituto de Tecnologia Technion-Israel, da Universidade de Tel Aviv e da Universidade da Califórnia, Los Angeles, liderada pelo professor assistente de Nanyang, Wong Liang Jie, da Escola de Elétrica e A Engenharia Eletrônica desenvolveu uma forma de superar esses desafios em simulações computacionais, alterando a forma como os elétrons disparados viajam.

Usando computadores, os cientistas modelaram elétrons passando por uma placa especialmente feita que também tem uma corrente fluindo através dela para gerar uma voltagem. Os cientistas conseguiram mostrar em simulações que a forma como os elétrons viajavam mudou depois de passarem por essa “placa de fase”, um efeito chamado formação de onda eletrônica.

Isso acontece porque as partículas de elétrons são capazes de viajar em um padrão de onda como as ondas de luz, de acordo com a física quântica. Como resultado, pesquisas anteriores mostraram que eles podem interferir entre si após passarem por uma placa de fase. A voltagem da placa também causa mudanças no padrão de movimento ondulatório dos elétrons, e o ajuste da voltagem também pode ajustar o padrão de onda do elétron.

Os elétrons moldados foram então simulados para atingir um material ultrafino feito de grafeno, cerca de 1.000 vezes mais fino que um fio de cabelo.

Devido à forma como esses elétrons foram moldados, o caminho de deslocamento dos elétrons tinha uma tendência muito alta de corresponder às posições hexagonais dos átomos no grafeno.

Isso aumentou a probabilidade de os elétrons colidirem com os átomos e as simulações mostraram que como resultado seriam emitidos mais raios X, aumentando assim a intensidade da radiação produzida.

As simulações mostraram que o novo método também era mais eficiente em termos energéticos. Usando a mesma quantidade de corrente para disparar elétrons, os raios X produzidos pelo método dos pesquisadores foram até mil vezes mais potentes do que aqueles produzidos por métodos convencionais usando tubos de raios X. A intensidade da radiação também pode ser ajustada fazendo alterações na placa de fase.

Dependendo da finalidade para a qual os raios X são usados, eles podem ser emitidos em diferentes direções ou focados em uma direção geral com o novo método, permitindo que futuros dispositivos geradores de raios X sejam mais ajustáveis ​​do que antes. Esse controle preciso foi alcançado em simulações ajustando a voltagem da placa para alterar o padrão e o caminho de como os elétrons viajavam.

Quando o padrão de onda dos elétrons tendia a se sobrepor à superfície de átomos inteiros, os raios X produzidos eram mais difusos. Ajustar a voltagem da placa para fazer com que o padrão de onda dos elétrons coincidisse com as camadas em forma de anel ao redor dos átomos gerou raios X em uma direção geral.

Os raios X focados foram provavelmente produzidos porque a forma como os elétrons interagiam com os átomos foi alterada, o que resultou na interferência dos raios X que destruíram os raios X emitidos em algumas direções enquanto reforçavam outros em uma direção.

Como o novo método requer menos energia para produzir raios X intensos, ele poderia abrir caminho para a fabricação de dispositivos menores de geração de raios X, uma vez que é necessária uma fonte de energia menos poderosa - possivelmente encolhendo máquinas padrão que podem ser maiores que uma casa para produzir raios X. um que pudesse caber em uma mesa.

Embora existam instrumentos comerciais que podem fazer a modelagem de ondas de elétrons, usá-los para produzir raios X de alta intensidade e sintonizáveis ​​é uma novidade, já que pesquisadores no passado tentaram usar a modelagem de ondas de elétrons para alterar outros tipos de radiação.

Essas tentativas anteriores inspiraram os cientistas liderados por Asst. O professor Wong tentará modelar ondas de raios X em modelos de computador para determinar como os resultados mudaram quando diferentes parâmetros foram ajustados. Um desses experimentos simulados descobriu que a mudança no padrão de como os elétrons viajavam poderia aumentar o brilho dos raios X produzidos e isso formou a base da pesquisa mais recente.

As aplicações potenciais dos poderosos raios X produzidos pelo método dos cientistas incluem usá-los para produzir imagens de raios X de alta resolução de chips semicondutores para detectar com mais precisão quaisquer falhas difíceis de ver em chips fabricados.

Como os raios X produzidos poderiam ser controlados para serem difundidos ou focados, o novo método poderia oferecer mais flexibilidade na realização de imagens de raios X para exames de saúde, como imagens de uma mão inteira ou apenas de uma articulação do dedo, usando menos energia para produzir a radiação. Raios X concentrados e intensos também podem ter utilidade em radioterapia mais direcionada para tratar o câncer.

Os cientistas planeiam agora realizar experiências para confirmar os resultados das suas simulações.

Ass. O professor Wong disse:"A precisão da modelagem de ondas eletrônicas é crucial para os raios X gerados. Acreditamos que com o rápido avanço das técnicas de modelagem de ondas eletrônicas, nosso mecanismo proposto pode ser totalmente implementado para raios X de mesa intensos e altamente ajustáveis. tecnologia."

Mais informações: Lee Wei Wesley Wong et al, Cristais de elétrons livres para radiação de raios X aprimorada, Luz:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01363-4
Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações

Fornecido pela Academia Chinesa de Ciências