Nationale veiligheid:de uitdrukking resoneert tegenwoordig als een drumbeat.

Slechts één voorbeeld:in zijn beknopte begroting 2017 het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid noemt als een van zijn prioriteiten $ 103,9 miljoen voor radiologische en nucleaire detectieapparatuur "om de Amerikaanse toegangspoorten veilig en beveiligd te houden door illegaal radioactief of nucleair materiaal op te sporen en te verbieden."

Een team onder leiding van Swastik Kar van Northeastern en Yung Joon Jung heeft een technologie ontwikkeld die een heel eind kan helpen om dat doel te bereiken. "Onze detector zou de manier en nauwkeurigheid waarmee we nucleaire dreigingen in binnen- of buitenland kunnen detecteren drastisch kunnen veranderen. " zegt Kar, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde.

Het kan ook helpen de radiogeneeskunde te stroomlijnen, inclusief bestralingstherapieën en scandiagnostiek, het vergroten van de effectiviteit van onbemande voertuigen voor stralingsmonitoring bij het in kaart brengen en bewaken van besmette gebieden na rampen, en een revolutie teweegbrengen in radiometrische beeldvorming in ruimteverkenning.

Gemaakt van grafeen en koolstof nanobuisjes, de detector van de onderzoekers overtreft veruit alle bestaande in zijn ultragevoeligheid voor geladen deeltjes, minuscule grootte, lage stroomvereisten, en lage kosten.

Veiligheid en beveiliging inschakelen

alle straling, natuurlijk, is niet schadelijk, en zelfs het type dat kan zijn, hangt af van de dosering en de duur van de blootstelling. Het woord "straling" verwijst eenvoudig naar de emissie en voortplanting van energie in de vorm van golven of deeltjes. Het heeft veel bronnen, inclusief de zon, elektronische apparaten zoals magnetrons en mobiele telefoons, zichtbaar licht, Röntgenstralen, gammagolven, kosmische golven, en kernsplijting, dat is wat stroom produceert in kernreactoren.

De meeste schadelijke stralingen zijn "ioniserende stralingen" - ze hebben voldoende energie om elektronen uit de banen van omringende atomen te verwijderen, waardoor ze worden opgeladen, of "geïoniseerd".

Het zijn die geladen deeltjes, of ionen, dat de detectoren oppikken en kwantificeren, het onthullen van de intensiteit van de straling. De meeste huidige detectoren, echter, zijn niet alleen omvangrijk, machtshongerig, en duur, ze kunnen ook geen zeer lage niveaus van ionen opnemen. De detector van Kar en Yung Joon, anderzijds, is zo gevoelig dat het slechts een enkel geladen deeltje kan oppikken.

"Onze detectoren zijn vele ordes van grootte gevoeliger in termen van hoe klein een signaal ze kunnen detecteren, " zegt Yung Joon, universitair hoofddocent bij de faculteit Werktuigbouwkunde en Industriële Techniek. "Onze kan één ion detecteren, de fundamentele grens. Als je een enkel ion kunt detecteren, dan kun je alles groter dan dat detecteren."

Overweeg een grenswachter bij de Amerikaanse douane, zegt Kar. Hij of zij scant met een geigerteller naar nucleair materiaal in de lading van een schip. Dergelijk materiaal kan worden verborgen in een loden container, waardoor de stralingsniveaus te laag uitlekken voor de geigerteller om te detecteren, of de bewaker is misschien 100 meter verwijderd van de bron, waardoor de intensiteit van de straling kan verdwijnen voordat deze de detector bereikt. "Dat betekent dat de bewaker niet alleen het lek niet detecteert, maar ook wordt blootgesteld aan straling op onbekende niveaus, " zegt Kar. "Door onze technologie te gebruiken, de bewaker kon verborgen bronnen op veilige afstand detecteren, of zelfs met een drone."

Interdisciplinaire doorbraak

De ultragevoelige detector is ontstaan ​​uit een uniek interdisciplinair partnerschap tussen Kar en Yung Joon, die al meer dan 10 jaar samenwerken. "We zouden deze ontdekking niet hebben gedaan zonder de bijdragen van ieder van ons, ' zegt Yung Joon.

De expertise van Yung Joon ligt op het gebied van koolstofnanofabricage. Hij werkt met grafeen, een oneindig dun rooster sterker dan staal van dicht opeengepakte koolstofatomen, en koolstofnanobuizen - vellen grafeen die in holle buizen zijn gerold met wanden die slechts één atoom dik zijn.

Kar is gespecialiseerd in de onderliggende fysica van koolstofnanobuizen en andere materialen, inclusief de kwantummechanische eigenschappen die hun elektrische geleiding beschrijven.

"Als een geladen deeltje op het oppervlak van een materiaal zit, het materiaal ondergaat een kleine verandering in zijn elektrische eigenschappen, " zegt Kar. Op een volumineus materiaal, het deeltje tast het oppervlak aan, maar de rest van het materiaal blijft onveranderd. Op koolstofnanobuisjes, die in wezen alleen oppervlaktematerialen zijn vanwege hun uitzonderlijk dunne wanden, het deeltje verandert de totale elektrische geleiding van het materiaal aanzienlijk. "Dus het effect van het deeltje wordt veel meetbaarder, " zegt Kar.

Ji-Hao, PhD'17, een student werktuigbouwkunde in het lab van Yung Joon, ontdekte per ongeluk de gevoeligheid van koolstof nanobuisjes voor geladen deeltjes tijdens het testen van de nanobuisjes in een vacuümmeter. Hij was verbaasd over de veranderingen in de elektrische weerstand van de nanobuisjes toen hij de meter aan en uit zette. "Hij dacht dat hij een disfunctioneel circuit had dat aanleiding gaf tot de veranderingen, " zegt Kar. "Hij wist toen nog niet dat de kleine hoeveelheid ionen die vrijkomt uit de meter de elektrische eigenschappen van koolstofnanobuisjes meetbaar zou kunnen beïnvloeden. Geloof het of niet, aanvankelijk probeerde hij heel hard om van de veranderingen af ​​te komen."

Na de detectortechnologie te hebben ontwikkeld, het paar richt zich nu op het bouwen van prototypedetectoren voor de verschillende soorten straling die relevant zijn voor bepaalde disciplines, inclusief röntgenstralen en bètadeeltjes. In het proces, ze onderzoeken de commercialisering van hun uitvinding met een prijs van de National Science Foundation. "Hierdoor kunnen we potentiële klanten identificeren voor alle producten die we bouwen, " zegt Kar.

Yung Joon voegt eraan toe:"Ons doel is om te leren wat voor soort metingen elke specifieke arena nodig heeft."