Sinds hun ontdekking in 1895, Röntgenstralen hebben geleid tot aanzienlijke vooruitgang in de wetenschap, geneeskunde en industrie. Van het onderzoeken van verre sterrenstelsels tot screening bij de beveiliging van luchthavens en het vergemakkelijken van medische diagnoses, ze hebben ons in staat gesteld verder te kijken dan de oppervlakte en te zien wat eronder ligt.

Nutsvoorzieningen, een samenwerking tussen het A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS heeft een veelzijdige, directionele röntgenbron die op een laboratoriumbank zou kunnen passen en is gebaseerd op het intrigerende tweedimensionale materiaal grafeen.

Röntgenstralen zijn hoogfrequente elektromagnetische golven die kunnen worden gegenereerd met behulp van röntgenbuistechnologie of van enorme bronnen zoals synchrotrons en kilometerslange vrije-elektronenlasers.

Maar röntgenbuisbronnen, algemeen gebruikt in medische diagnostiek, straling uitzenden in alle richtingen, een aanzienlijke hoeveelheid van de gegenereerde röntgenstralen verspillen. Ze zijn ook niet 'afstembaar', wat betekent dat voor elke gewenste golflengte een andere röntgenbron in een diagnostisch apparaat moet worden geïnstalleerd.

Kilometerlange vrije elektronenlasers, anderzijds, kan intense, afstembare röntgenstralen door vrije elektronen te versnellen tot extreem hoge energieën en ze vervolgens te laten 'wiebelen' met behulp van magneten. Maar deze enorme röntgenbronnen bestaan ​​slechts op een paar plaatsen in de wereld en zijn ondergebracht in zeer grote, dure voorzieningen.

Een röntgenbron die zowel klein als krachtig is, is al geruime tijd zeer gewild.

Hiertoe, het team van SIMTech-MIT-onderzoekers gebruikte grafeen, een één atoom dik vel koolstofatomen, die, onder andere, can support plasmons:verzamelingen van elektronische oscillaties die kunnen worden gebruikt om licht te beperken en te manipuleren op schalen van ongeveer tien nanometer.

Het team ontwikkelde eerst een robuuste simulatietool die de exacte fysica modelleert van elektronen die interageren met een plasmonveld dat wordt ondersteund op een grafeenvel dat is afgezet op een stuk 'diëlektricum', of isolerend, materiaal. Door numerieke simulaties uit te voeren, het team toonde aan dat deze opstelling een 'wiebelende' beweging induceert in elektronen die door de grafeenplasmonen worden afgevuurd, waardoor de elektronen hoogfrequente röntgenstraling produceren. De simulaties kwamen overeen met de analytische theorie die door het team is ontwikkeld om uit te leggen hoe elektronen en plasmonen op elkaar inwerken om röntgenstralen te produceren.

Een opvallend kenmerk van een dergelijke bron is de 'wijsbaarheid', wat de efficiëntie zal verhogen en dus de kosten zal verlagen door ervoor te zorgen dat alle gegenereerde straling terechtkomt waar het bedoeld is. Dit zal de bron veelbelovend maken voor medische behandelingen, omdat het kan worden gebruikt om tumoren nauwkeuriger te richten en zo schade aan omliggende organen en cellen te minimaliseren.

Misschien wel het meest aantrekkelijk is de veelzijdigheid van de bron. De uitgangsstralingsfrequentie kan in realtime worden afgestemd van langere infraroodstralen tot kortere röntgenstralen door verschillende elementen van de bron te wijzigen, zoals de snelheid van de elektronen, de frequentie van de grafeenplasmonen en de geleidbaarheid van het grafeen.

Deze flexibele, compacte bron is veelbelovend als een kosteneffectief alternatief voor de hoge-intensiteitsstralen die worden gebruikt voor fundamenteel wetenschappelijk en biomedisch onderzoek. "Hoewel er nog een lange weg te gaan is naar daadwerkelijke realisatie, dit is een zeer opwindende onderzoeksrichting, ", zegt Liang Jie Wong van SIMTech. "Het ontwikkelen van een intense röntgenbron die op een tafel past of in de hand kan worden gehouden, zou potentieel een revolutie teweegbrengen in vele gebieden van wetenschap en technologie."

Het team is van plan om hun concept experimenteel te verifiëren met proof-of-principle-proeven.