Depuis leur découverte en 1895, Les rayons X ont conduit à des avancées significatives en science, médecine et industrie. De l'exploration de galaxies lointaines au dépistage à la sécurité des aéroports et à la facilitation du diagnostic médical, ils nous ont permis de regarder au-delà de la surface et de voir ce qui se cache en dessous.

Maintenant, une collaboration entre l'A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) aux États-Unis a proposé une solution polyvalente, source de rayons X directionnelle pouvant tenir sur une paillasse de laboratoire et basée sur l'intrigant matériau bidimensionnel graphène.

Les rayons X sont des ondes électromagnétiques à haute fréquence qui peuvent être générées à l'aide de la technologie des tubes à rayons X ou à partir de sources énormes comme les synchrotrons et les lasers à électrons libres d'un kilomètre de long.

Mais les sources de tubes à rayons X, couramment utilisé dans les diagnostics médicaux, émettent des radiations dans toutes les directions, gaspiller une quantité importante des rayons X générés. Ils ne sont pas non plus "accordables", ce qui signifie qu'une source de rayons X différente doit être installée dans un appareil de diagnostic pour chaque longueur d'onde souhaitée.

Lasers à électrons libres d'un kilomètre de long, d'autre part, peut produire intense, rayons X accordables en accélérant les électrons libres à des énergies extrêmement élevées, puis en les faisant « remuer » à l'aide d'aimants. Mais ces énormes sources de rayons X n'existent que dans quelques endroits dans le monde et sont logées dans de très grandes, installations coûteuses.

Une source de rayons X à la fois petite et puissante est très recherchée depuis un certain temps.

À cette fin, l'équipe de chercheurs du SIMTech-MIT a employé du graphène, une feuille d'atomes de carbone d'une épaisseur d'un atome, lequel, entre autres, peut supporter des plasmons :ensembles d'oscillations électroniques permettant de confiner et manipuler la lumière à des échelles de l'ordre de la dizaine de nanomètres.

L'équipe a d'abord développé un outil de simulation robuste qui modélise la physique exacte des électrons interagissant avec un champ de plasmon soutenu sur une feuille de graphène déposée sur un morceau de « diélectrique », ou isolant, Matériel. En effectuant des simulations numériques, l'équipe a montré que cette configuration induit un mouvement de « remuement » dans les électrons tirés à travers les plasmons de graphène, amenant les électrons à produire un rayonnement X à haute fréquence. Les simulations étaient conformes à la théorie analytique développée par l'équipe pour expliquer comment les électrons et les plasmons interagissent pour produire des rayons X.

Une caractéristique remarquable d'une telle source sera sa "pointabilité", ce qui augmentera l'efficacité et réduira donc les coûts en veillant à ce que tout le rayonnement généré aille là où il est destiné. Cela rendra la source prometteuse pour les traitements médicaux, car elle pourrait être utilisée pour cibler plus précisément les tumeurs et ainsi minimiser les dommages aux organes et cellules environnants.

Le plus attrayant sera peut-être la polyvalence de la source. La fréquence de rayonnement de sortie peut être réglée en temps réel des rayons infrarouges plus longs aux rayons X plus courts en modifiant divers éléments de la source, comme la vitesse des électrons, la fréquence des plasmons de graphène et la conductivité du graphène.

Cette souplesse, La source compacte est prometteuse en tant qu'alternative rentable aux faisceaux à haute intensité utilisés pour la recherche scientifique fondamentale et biomédicale. « Bien qu'il y ait un long chemin à parcourir avant la réalisation réelle, c'est une direction de recherche très excitante, " déclare Liang Jie Wong de SIMTech. " Développer une source de rayons X intense pouvant tenir sur une table ou tenir dans la main pourrait potentiellement révolutionner de nombreux domaines de la science et de la technologie. "

L'équipe prévoit ensuite de vérifier expérimentalement leur concept avec des essais de preuve de principe.