Deze golvende elektronen, ook wel plasmonen genoemd, kunnen interageren met sprankelende materialen om de emissie van zichtbaar licht door de materialen te versnellen nadat ze met röntgenstraling hebben gereageerd. Hierdoor wordt het afgegeven licht intenser.

Dit staat in contrast met niet-plasmonische materialen, waarvan de elektronen niet op dezelfde manier met straling interageren. Als gevolg hiervan bewegen ze niet op een gecoördineerde golfachtige manier en versnellen ze de emissie van zichtbaar licht door sprankelende materialen niet.

Voor het onderzoek werd goud gebruikt dat slechts 70 nanometer dik was, of ongeveer 1000 keer dunner dan een haarlok. Het gebruik van een dunne laag goud helpt de materiaalkosten laag te houden en houdt de omvang van toekomstige röntgendetectoren compact.

De onderzoekers voegden de plasmonische goudlaag toe aan een sprankelend materiaal genaamd butylammoniumloodbromide, uit de 'perovskiet'-familie van verbindingen. Perovskieten staan ​​bekend om hun vermogen om zonlicht in zonnecellen om te zetten in elektriciteit.

Deze "nanoplasmonische" studie werd uitgevoerd in samenwerking tussen de CNRS-International-NTU-Thales Research Alliance, een op de NTU gevestigd Frans-Singaporees gezamenlijk onderzoekslaboratorium; Institut Lumière Matière CNRS gevestigd in Université Claude Bernard Lyon 1 in Frankrijk; en Nano Center Indonesië.

Nanyang assistent-professor Wong Liang Jie, co-leider van het onderzoek van de NTU Singapore's School of Electrical and Electronic Engineering, zei:"Onze resultaten benadrukken het enorme potentieel van nanoplasmonica bij het optimaliseren van ultrasnelle beeldvormingssystemen waarbij een hoge ruimtelijke resolutie en een hoog contrast nodig zijn, zoals zoals röntgenbioimaging en microscopie."

Asst Prof Wong zei dat de verbeteringen in de röntgendetectie die uit het onderzoek naar voren komen ook ten goede komen aan de veiligheidscontrole op luchthavens, omdat items in bagage gemakkelijker kunnen worden gedetecteerd met scherpere röntgenbeelden van hogere kwaliteit, terwijl tassen beter kunnen worden gescreend. snel.

Dr. Muhammad Danang Birowosuto, co-leider van het onderzoek van het Lukasiewicz Research Network-PORT Polish Center for Technology Development en voormalig NTU-onderzoeker, zei:"Het combineren van deze verbetering met andere technologieën zal resulteren in state-of-the-art functionaliteiten op het gebied van straling beeldvorming, zoals het verbeteren van röntgenanalyse in kleur of het verbeteren van de nauwkeurigheid van medische röntgenopnamen tijdens de vlucht."

Een woordvoerder van multinational Thales zei dat "het idee van het combineren van de fysieke verschijnselen van fotonische structuren - structuren die het gedrag van licht veranderen - met sprankelende materialen voor röntgendetectoren een interessant concept vertegenwoordigt om de efficiëntie van de huidige generatie detectoren te vergroten. "

"Thales blijft de wetenschappelijke vooruitgang op dit gebied met grote belangstelling volgen en verwelkomt de doorbraak van assistent-professor Wong op dit gebied", voegde de woordvoerder eraan toe.

Gouden kans

De inspiratie om goud als plasmonisch materiaal te gebruiken samen met sprankelende materialen kwam voort uit een combinatie van twee onderzoeksgebieden die nog niet eerder waren onderzocht voor röntgendetectoren.

Leden van het onderzoeksteam ontdekten eerder dat bepaalde stoffen, nadat ze zichtbaar licht hadden geabsorbeerd, ook zichtbaar licht afgaven, dat helderder zou kunnen worden als er dun plasmonisch goud op nanometerschaal aan werd toegevoegd.

Destijds werkten andere leden van het team, die bestuderen hoe structuren van nanoformaat de generatie van röntgenstraling verbeteren, ook aan röntgendetectie.

Toen ze naar de nanoplasmonische bevindingen keken, kwam het team op een idee:aangezien röntgendetectie in röntgenscanners ook afhankelijk is van stoffen die straling absorberen om zichtbaar licht uit te zenden, kunnen plasmonische materialen op nanoschaal de detectoren in deze scanners versterken?

De wetenschappers probeerden dit vervolgens experimenteel met goud te bewijzen.

De onderzoekers zijn vervolgens van plan om inkepingachtige patronen van nanoformaat aan het oppervlak van de goudlaag toe te voegen om het zichtbare licht dat wordt afgegeven door röntgenabsorberende sprankelende materialen te versterken, aangezien eerder onderzoek heeft aangetoond dat kleine inkepingen de productie van zichtbaar licht kunnen verbeteren.

Dr. Dennis Schaart, hoofd van de sectie medische fysica en technologie van de afdeling stralingswetenschappen en -technologie van de Nederlandse Technische Universiteit Delft, zei dat de bevindingen "een nieuwe weg openen voor de verbetering van stralingsbeelddetectoren op basis van scintillatoren."

Scintillatoren zetten röntgen- of gammafotonen om in meetbare lichtsignalen voor toepassingen zoals medische beeldvorming in computertomografie (CT)-scans, niet-destructieve tests zoals die voor kwaliteitsborging in industriële productie, en veiligheidsonderzoek met behulp van bagagescanners op luchthavens.

Dr. Schaart – die onderzoek doet naar nieuwe technologieën voor medische beeldvorming en radiotherapie en niet bij het onderzoek betrokken was – zei dat de prestatielimieten van algemeen bekende scintillatiemechanismen bijna bereikt zijn. Maar er blijft een aanhoudende vraag naar nog betere oplossingen.

"De bevindingen gepresenteerd in dit laatste onderzoek wijzen de weg naar een nieuwe klasse scintillatiedetectoren waarin de intensiteit en snelheid van de lichtemissie worden verbeterd door de manipulatie van kwantummechanische verschijnselen", zei hij.

"In principe biedt dit zeer opwindende perspectieven voor scintillatorontwikkelaars om optimale materialen te ontwikkelen voor een breed scala aan toepassingen. Als de resultaten die in het onderzoek worden gepresenteerd kunnen worden gereproduceerd en opgeschaald naar industrieel geproduceerde scintillatoren, zal dit waarschijnlijk bijdragen aan bijvoorbeeld meer nauwkeurige, meer betaalbare en toegankelijkere medische diagnoses, evenals snellere beveiligingsscans."

Meer informatie: Wenzheng Ye et al, Het nanoplasmonische Purcell-effect in perovskiet-scintillatoren met ultrasnelle en hoge lichtopbrengst, Geavanceerde materialen (2024). DOI:10.1002/adma.202309410

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Geleverd door Nanyang Technologische Universiteit