ومن المتوقع أن تؤدي مصادر الإشعاع الدقيقة إلى تحقيق اختراقات في التصوير الطبي وغيره من المجالات

طور الباحثون في التخنيون مصادر إشعاعية دقيقة يمكن أن تحل محل مسرعات الجسيمات باهظة الثمن والمرهقة المستخدمة حاليًا لإنتاج الإشعاع مثل الأشعة السينية. تنتج هذه المصادر الجديدة إشعاعات خاضعة للرقابة ذات طيف ضيق ودقيق ودقة عالية، وذلك باستثمار منخفض نسبيًا في الطاقة

طور الباحثون في التخنيون مصادر إشعاعية دقيقة يمكن أن تحل محل مسرعات الجسيمات باهظة الثمن والمرهقة المستخدمة حاليًا لإنتاج الإشعاع مثل الأشعة السينية. تنتج هذه المصادر الجديدة إشعاعات خاضعة للرقابة ذات طيف ضيق ودقيق ودقة عالية، وذلك باستثمار منخفض نسبيًا في الطاقة. ولذلك، من المتوقع أن تؤدي إلى اختراقات تطبيقية في سياقات متنوعة - التحليل الطيفي للمواد الكيميائية والبيولوجية، والتصوير الطبي، ومعدات الأشعة السينية في عمليات التفتيش الأمنية وغيرها من الاستخدامات التي تتطلب مصادر موثوقة للإشعاع الدقيق.

الدراسة التي نشرت أمس في المجلة طبيعة الضوئيات كان بقيادة الدكتور أدو كامينر ودرجة الماجستير مايكل شانتزيس. الدكتور كامينر هو رئيس مختبر ديناميات الكم لحزم الإلكترونات المسمى روبرت وروث ماجد عضو هيئة التدريس في كلية الهندسة الكهربائية المسمى باسم فيتربي ومعهد الحالة الصلبة و صديق في معهد راسل بيري لتقنية النانو (ربني) وفي مركز الكم بقلم هيلين ديلر.

يقدم المقال الحالي ملاحظة تجريبية أولى تعتبر دليلاً على جدوى النموذج النظري الذي تم تطويره في العقد الماضي في سلسلة من المقالات الأساسية. المقال الأول عن الموضوع والذي ظهر في نفس المجلة (طبيعة الضوئيات)، كتبه الدكتور كامينر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مع المشرفين عليه في مرحلة ما بعد الدكتوراه، البروفيسور مارين سوليتشيك والبروفيسور جون جوانوبولوس. وفي نفس المقال قدم كامينر وزملاؤه مفهوم نظري لاستخدام المواد ثنائية الأبعاد لتكوين الأشعة السينية. تلك المقالة، وفقًا للدكتور كامينر، كانت بمثابة "بداية رحلة إلى مصادر الإشعاع استنادًا إلى الفيزياء الفريدة للمواد ثنائية الأبعاد والمجموعات المختلفة بينها - الهياكل المتغايرة". لقد واصلنا تطوير الاختراق النظري من تلك المقالة في سلسلة من المقالات النظرية منذ ذلك الحين، والآن نحن متحمسون للإعلان عنه الملاحظة التجريبية الأولى في إنشاء إشعاع الأشعة السينية في مثل هذه الأجهزة، مع التحكم الدقيق في معلمات الإشعاع."

المواد ثنائية الأبعاد هي هياكل اصطناعية فريدة من نوعها ظهرت في الوعي حوالي عام 2004 مع تطوير الجرافين من قبل الفيزيائيين أندريه جيم وكونستانتين نوفوسلوف - الحائزين لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2010. الجرافين هو سطح صناعي من ذرات الكربون، أي هيكل بسمك الذرة الواحدة، وهو غير موجود في الطبيعة. تم إنشاء هياكل الجرافين الأولى من قبل الروائيين عن طريق تقشير طبقات رقيقة من مادة الجرافيت، "مادة الكتابة" في قلم الرصاص، باستخدام ورق لاصق. اكتشف الاثنان والباحثون الذين تابعوهم أن الجرافين له خصائص فريدة ومدهشة تختلف عن خصائص الجرافيت ثلاثي الأبعاد: القوة (الجرافين أقوى بعشرات المرات من صفائح الفولاذ ذات السماكة المماثلة)، والشفافية الكاملة تقريبًا، والتوصيل الكهربائي. والقدرة على توصيل الضوء الذي يمكّن من انبعاث الإشعاع - وهو جانب مركزي في المقالة الحالية. هذه الخصائص الفريدة تجعل من الجرافين، وغيره من المواد ثنائية الأبعاد، لاعبين واعدين في الأجيال القادمة من أجهزة الاستشعار الكيميائية والبيولوجية، والخلايا الشمسية، وأشباه الموصلات، والشاشات، والمزيد.

فتح اختراع الجرافين مجالًا جديدًا للبحث مع التركيز على مختلف المواد ثنائية الأبعاد، بما في ذلك مواد فان دير فال (مواد vdW) التي كانت محور بحث الدكتور كامينر الحالي. تمت تسمية هذه المواد على اسم يوهانس ديدريك فان دير فالس، الذي فاز بجائزة نوبل في الفيزياء قبل مائة عام بالضبط، في عام 1910.

ابتكر الدكتور كامينر ومايكل شنتزيس مواد vdW مختلفة وأرسلا حزم إلكترونية من خلالها بزوايا محددة، مما أدى إلى انبعاث إشعاع الأشعة السينية بشكل دقيق ومتحكم فيه. هذه هي الطريقة التي تم بها تحقيق أول ملاحظة تجريبية لإشعاع الأشعة السينية المنبعثة من مواد vdW. علاوة على ذلك، أظهر الباحثون ضبطًا دقيقًا (قابلية الضبط) لطيف الإشعاع بدقة غير مسبوقة، مع الحد الأدنى من استثمار الطاقة مع الاستفادة من المرونة في تصميم عائلات مواد vdW.

وفي الختام، يحتوي المقال الجديد لمجموعة بحث الدكتور كامينر على نتائج تجريبية ونظرية جديدة ودليل على جدوى التطبيق المبتكر للمواد ثنائية الأبعاد كأنظمة تنتج إشعاعات محكمة ودقيقة. وبحسب الدكتور كامينر فإن "التجربة التي أجريناها، والنظرية التي طورناها لتفسيرها، تقدم مساهمة كبيرة في البحث الفيزيائي للتفاعل بين الضوء والمادة، وتمهد الطريق لتطبيقات عديدة ومتنوعة في التصوير بالأشعة السينية، في مجال التصوير بالأشعة السينية". يستخدم التحليل الطيفي للأشعة السينية لتوصيف المواد، وأكثر من ذلك، وفي المستقبل سيمكن من إنشاء مصادر ضوئية كمومية في مجال الأشعة السينية.

في الدراسة الحالية، التي أجريت كما هو مذكور بالتعاون بين وحدات مختلفة في التخنيون، شارك باحثون من كلية شوليك للكيمياء، وكلية علوم وهندسة المواد والمؤسسات التالية: معهد برشلونة للعلوم والتكنولوجيا، معهد ICREA في برشلونة وجامعة ولاية أريزونا، والجامعة التقنية في الدنمارك، وجامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة.

تم إجراء جميع تجارب إثبات الجدوى في المجاهر الإلكترونية في مركز المجهر MICA في كلية علوم وهندسة المواد.

تم دعم البحث أيضًا من قبل الاتحاد الأوروبي (منحة ERC ومنح أفق 2020)، ومؤسسة العلوم الوطنية الإسرائيلية (ISF)، ومؤسسة أزريلي.