Wetenschappers in Australië hebben tin mono-sulfide (SnS) nanosheets gebruikt om de dunste röntgendetector ooit gemaakt te maken, waardoor mogelijk realtime beeldvorming van cellulaire biologie mogelijk is.

Röntgendetectoren zijn hulpmiddelen waarmee door straling getransporteerde energie visueel of elektronisch kan worden herkend, zoals medische beeldvorming of geigertellers.

SnS is al veelbelovend gebleken als materiaal voor gebruik in fotovoltaïsche energie, veldeffecttransistoren en katalyse.

Nu hebben leden van het ARC Center of Excellence in Exciton Science, gevestigd aan de Monash University en RMIT University, aangetoond dat SnS-nanosheets ook uitstekende kandidaten zijn voor gebruik als zachte röntgendetectoren.

Hun onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials , geeft aan dat SnS-nanosheets hoge fotonabsorptiecoëfficiënten hebben, waardoor ze kunnen worden gebruikt bij het maken van ultradunne zachte röntgendetectoren met een hoge gevoeligheid en een snelle responstijd.

Deze materialen bleken zelfs gevoeliger te zijn dan een andere opkomende kandidaat (metaalhalogenideperovskieten), met een snellere responstijd dan gevestigde detectoren en zijn afstembaar voor gevoeligheid over het zachte röntgengebied.

De SnS-röntgendetectoren die door het team zijn gemaakt, zijn minder dan 10 nanometer dik. Om de zaken in perspectief te plaatsen:een vel papier is ongeveer 100.000 nanometer dik en je vingernagels groeien ongeveer één nanometer per seconde. Voorheen waren de dunste röntgendetectoren die werden gemaakt tussen de 20 en 50 nanometer.

Er moet nog veel werk worden verzet om het volledige potentieel van de SnS-röntgendetectoren te onderzoeken, maar professor Jacek Jasieniak van de afdeling Materials Science and Engineering van Monash, de senior auteur van het artikel, gelooft dat het mogelijk is dat dit op een dag kan leiden tot realtime beeldvorming van cellulaire processen.

"De SnS-nanosheets reageren heel snel, binnen milliseconden", zei hij.

"Je kunt iets scannen en bijna onmiddellijk een beeld krijgen. De detectietijd bepaalt de tijdresolutie. In principe zou je, gezien de hoge gevoeligheid en hoge tijdresolutie, dingen in realtime kunnen zien.

"Je zou dit misschien kunnen gebruiken om cellen te zien terwijl ze op elkaar inwerken. Je produceert niet alleen een statisch beeld, je zou eiwitten en cellen kunnen zien evolueren en bewegen met behulp van röntgenstralen."

Waarom zijn zulke gevoelige en responsieve detectoren belangrijk? Röntgenfoto's kunnen grofweg in twee soorten worden verdeeld:"Harde" röntgenfoto's zijn de soort die door ziekenhuizen wordt gebruikt om het lichaam te scannen op gebroken botten en andere ziekten.

Misschien minder bekend maar net zo belangrijk zijn "zachte" röntgenstralen, die een lagere fotonenenergie hebben en kunnen worden gebruikt om natte eiwitten en levende cellen te bestuderen, een cruciaal onderdeel van de celbiologie.

Sommige van deze metingen vinden plaats in het 'watervenster', een gebied van het elektromagnetische spectrum waarin water transparant is voor zachte röntgenstralen.

Zachte röntgendetectie kan worden uitgevoerd met behulp van een Synchrotron, een deeltjesversneller zoals de Large Hadron Collider in Zwitserland, maar toegang tot dit soort enorm dure infrastructuur is moeilijk te beveiligen.

Recente ontwikkelingen in niet-synchrotron zachte röntgenlaserbronnen kunnen het mogelijk maken om goedkopere, draagbare detectiesystemen te ontwerpen, waardoor onderzoekers over de hele wereld een toegankelijk alternatief voor Synchrotrons kunnen bieden.

Maar om deze benadering te laten werken, hebben we zachte röntgendetectormaterialen nodig die zeer gevoelig zijn voor röntgenstralen met lage energie, een uitstekende ruimtelijke resolutie bieden en kosteneffectief zijn.

Sommige bestaande zachte röntgendetectoren gebruiken een indirect mechanisme, waarbij ioniserende straling wordt omgezet in zichtbare fotonen. Deze benadering maakt het mogelijk om meerdere energiebereiken en framesnelheden te bestuderen, maar is moeilijk voor te bereiden en biedt beperkte resoluties.

Directe detectiemethoden zijn gemakkelijker voor te bereiden en bieden betere resoluties, omdat het detectormateriaal dunner kan zijn dan indirecte benaderingen.

Goede kandidaatmaterialen hebben een hoge röntgenabsorptiecoëfficiënt nodig, die wordt berekend aan de hand van het atoomnummer van de absorberende atomen, de invallende röntgenstraling, de dichtheid en de atoommassa van een atoom.

Hoge atoommassa en lage energie röntgenstralen bevorderen een hoge absorptie, en zachte röntgenstralen worden sterker geabsorbeerd in dunne materialen in vergelijking met harde röntgenstralen.

Nanokristalfilms en ferromagnetische vlokken zijn veelbelovend gebleken als bepaalde soorten zachte röntgendetectoren, maar ze zijn niet goed uitgerust om het watergebied aan te kunnen.

Dat is waar de SnS-nanobladen binnenkomen.

Een van de hoofdauteurs, Dr. Nasir Mahmood van RMIT University, zei dat de gevoeligheid en efficiëntie van SnS-nanobladen sterk afhangt van hun dikte en laterale afmetingen, die niet kunnen worden gecontroleerd met traditionele fabricagemethoden.

Met behulp van een op vloeibare metalen gebaseerde exfoliatiemethode konden de onderzoekers hoogwaardige, grote oppervlaktevellen met gecontroleerde dikte produceren, die op efficiënte wijze zachte röntgenfotonen in het watergebied kunnen detecteren. Hun gevoeligheid kan verder worden verbeterd door een proces van het stapelen van de ultradunne lagen.

Ze vertegenwoordigen belangrijke verbeteringen in gevoeligheid en responstijd in vergelijking met bestaande directe zachte röntgendetectoren.

De onderzoekers hopen dat hun bevindingen nieuwe wegen zullen openen voor de ontwikkeling van zeer gevoelige röntgendetectoren van de volgende generatie op basis van ultradunne materialen.

Eerste auteur Dr. Babar Shabbir van Monash's Department of Materials Science and Engineering zei:"Om dit op de lange termijn te commercialiseren, moeten we een apparaat met veel pixels testen. In dit stadium hebben we het beeldvormingssysteem niet. Maar dit biedt ons een kennisplatform en een prototype." + Verder verkennen

Flexibele, draagbare röntgendetector vereist geen zware metalen