Technologische vooruitgang is grotendeels te danken aan ons wetenschappelijk begrip van de materialen die we gebruiken om de wereld om ons heen te bouwen, van batterijen die langer meegaan tot nieuwe medicijnen.

Wetenschappers en ingenieurs vertrouwen op een volledige reeks hulpmiddelen om de eigenschappen van materialen op atomair en moleculair niveau te begrijpen, en ze gebruiken verschillende sondes zoals zichtbaar licht, lasers, echografie, Röntgenstralen, elektronen en neutronen. Elk gereedschap onthult bepaalde eigenschappen van materialen, het genereren van kennis die leidt tot een beter begrip en verbeteringen.

Neutronenbundels behoren tot de meest unieke, en worden gebruikt om materialen en processen op subatomair niveau te bestuderen. Neutronen zijn een van de samenstellende delen van alle atomen en, samen met protonen, een atoomkern vormen. Ze bieden een ongeëvenaarde gevoeligheid voor lichtelementen en magneten en door hun unieke penetrerende eigenschappen kunnen ze heldere beelden van het interieur van objecten geven zonder ze te storen.

Toegang tot neutronen

Wetenschappelijk onderzoek met neutronen vereist dat een voldoende hoeveelheid wordt geproduceerd door gespecialiseerde, grootschalige laboratoria. Canada is een pionier op dit gebied geweest, en het grootste deel van dat onderzoek - meer dan 120 onderzoekspapers per jaar waarbij 250 Canadese onderzoekers betrokken waren - kwam voort uit de National Research Universal Reactor (NRU) in Chalk River, Ont. Echter, de NRU werd stilgelegd in 2018, waardoor veel wetenschappelijke vooruitgang een halt wordt toegeroepen.

Gebrek aan toegang tot neutronen wordt diep gevoeld door onderzoekers in Canada, maar dit is geen uniek probleem. wereldwijd, veel neutronenbronnen zijn aan het einde van hun levenscyclus, en sommige zijn onlangs gesloten. Dit grondstoffenvacuüm biedt Canada een unieke kans.

Canadese wetenschappers werken nu aan een nieuwe nationale neutronenstrategie om de Canadese capaciteit voor onderzoek met neutronenbundels weer op te bouwen. Er worden momenteel plannen gemaakt voor de onmiddellijke en korte termijn, zoals samenwerking met buitenlandse neutronenbronnen en het optimaal benutten van de McMaster-kernreactor.

Canadees leiderschap

Nieuwe neutronenbronnen zullen Canada's leiderschap op het gebied van nucleaire wetenschap en technologie op de lange termijn versterken. Compact Accelerator Neutron Sources (CANS) zijn alternatieve neutronenbronnen, en ze winnen terrein in de wereldwijde wetenschappelijke gemeenschap.

CANS kan tegen lagere kosten worden gebouwd en gebruikt en omdat ze geen splijting gebruiken, er is minder regeldruk. Dit vergemakkelijkt de bouw van CANS op locaties zoals een universiteitscampus, neutronenbundels aanzienlijk toegankelijker maken voor materiaalonderzoekers en nieuwe grenzen openen voor Canada, zoals het gebruik van neutronenstraling voor kankerbehandelingen.

Als onderzoekers, we hebben drie heel verschillende toepassingen voor neutronen. Drew Marquardt, een biochemicus, gebruikt neutronen om de structuur-functie van celmembranen te onderzoeken. Zahra Yamani is een natuurkundig wetenschapper die onderzoek doet naar kwantum en andere opkomende materialen, die materialen in innovatieve technologieën. Als radiotherapeut-oncoloog Ming Pan gebruikt neutronen om kanker te behandelen.

Ons voorgestelde CANS bestaat uit drie hoofdcomponenten:een protonenversneller, een target-moderator-assemblage die de neutronen en neutronenbundellijnen maakt die leiden tot instrumenten voor onderzoek, industrieel gebruik of medische behandelingen.

Betaalbaarheid en toegankelijkheid

De schoonheid van CANS-technologie ligt zowel in de lagere kosten - in vergelijking met andere soorten neutronenbronnen - als in de veelzijdigheid ervan. Hoewel in principe veelbelovend, er zijn relatief weinig pogingen gedaan om een ​​multifunctioneel CANS te implementeren op een bruikbare, praktische schaal. Onderzoekers in Frankrijk, Duitsland en Japan streven naar CANS-technologie voor verschillende toepassingen.

Toepassingen van KANS variëren van de studie van nieuwe materialen tot nieuwe kankerbehandelingen. Dit is waar Canada opnieuw het voortouw kan nemen door een neutronenbron te ontwikkelen die in staat is om verschillende activiteiten in één faciliteit mogelijk te maken:van onderwijs en door de faculteit geleid onderzoek tot medicijnen.

Onlangs, we zijn begonnen met het ontwerpen van zo'n CANS die geschikt is voor het brede scala aan toepassingen dat wordt vereist door Canadese onderzoekers en artsen. Ons initiatief probeert iets te doen wat nog geen CANS heeft gedaan:we zijn van plan zowel onderzoek naar medicijnen als innovatief materiaal te ondersteunen met één ultramoderne faciliteit.

Medische toepassingen

Boron Neutron Capture Therapy (BNCT) is een gerichte bestralingstherapie waarbij de neutronen reageren met boor dat zich in tumoren heeft opgehoopt. De neutronen-boorreactie produceert een vorm van straling in de tumoren naar de kankercellen van binnenuit. Het vermogen hebben om kankercellen te targeten en te vernietigen, terwijl aangrenzende gezonde cellen intact blijven, BNCT belooft effectief te zijn tegen vele vormen van kanker. De CANS die wordt ontworpen, zou het eerste nationale BNCT-centrum in Canada mogelijk maken, waardoor het een van de weinige van dergelijke centra is die wereldwijd zijn ontworpen voor patiëntenbehandeling.

Naast BNCT, de protonenversneller die nodig is voor een CANS kan ook worden gebruikt om bepaalde medische isotopen te produceren. We zullen diagnostische beeldvormende isotopen kunnen produceren voor positronemissietomografie (PET)-scans naar lokale medische diagnostische beeldvormingscentra.

Materiaalonderzoek

Ons voorgestelde CANS is bedoeld om Canadese onderzoekers neutronen te leveren voor hun innovatief materiaalonderzoek naast medicijnen. We zullen instrumenten bouwen die het onderzoek naar 'zachte materialen' zullen vergemakkelijken, variërend van hoe bacteriën resistent worden tegen antibiotica en hoe nieuwe antikankermiddelen werken tot belangrijke vragen uit de voedingsindustrie met betrekking tot de nanoscopische samenstelling van melk.

Het neutronenbeeldvormingsinstrument in onze voorgestelde CANS-faciliteit kan een verscheidenheid aan toepassingen dienen, van het onderzoeken van onvolkomenheden in motorblokken en turbines tot het bestuderen van wateropname in nieuwe gewasstammen of de inwendige inhoud van archeologische artefacten.

We passen een nieuwe benadering toe om neutronen te leveren aan onderzoekers, zowel in de geneeskunde voor de behandeling van ziekten als in materiaalonderzoek, allemaal met dezelfde faciliteit op een kosteneffectieve manier. Onze inspanningen zijn de eerste fase in een programma met een groter bereik om zo'n compacte op versneller gebaseerde neutronenbron te ontwikkelen. Het is tijd voor Canada om - nogmaals - leiderschap in onderzoek te tonen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.