Sécurité nationale :L'expression résonne comme un battement de tambour ces jours-ci.

Juste un exemple :dans son Budget-in-Brief 2017, le département américain de la Sécurité intérieure énumère parmi ses priorités l'allocation de 103,9 millions de dollars pour l'équipement de détection radiologique et nucléaire "pour assurer la sécurité des ports d'entrée américains en détectant et en interdisant les matières radioactives ou nucléaires illicites".

Une équipe dirigée par Swastik Kar de Northeastern et Yung Joon Jung a développé une technologie qui pourrait grandement contribuer à atteindre cet objectif. "Notre détecteur pourrait changer radicalement la manière et la précision avec lesquelles nous sommes capables de détecter les menaces nucléaires au pays ou à l'étranger, " dit Kar, professeur agrégé au Département de physique.

Cela pourrait également aider à rationaliser la radiomédecine, y compris les radiothérapies et les diagnostics par balayage, augmenter l'efficacité des véhicules de surveillance radiologique sans pilote dans la cartographie et la surveillance des zones contaminées à la suite de catastrophes, et révolutionner l'imagerie radiométrique dans l'exploration spatiale.

Composé de graphène et de nanotubes de carbone, le détecteur des chercheurs dépasse de loin tout autre détecteur existant dans son ultrasensibilité aux particules chargées, taille minuscule, besoins de faible puissance, et à faible coût.

Permettre la sûreté et la sécurité

Tout rayonnement, bien sûr, n'est pas nocif, et même le type qui peut être dépend du dosage et de la durée d'exposition. Le mot « rayonnement » désigne simplement l'émission et la propagation d'énergie sous forme d'ondes ou de particules. Il a de nombreuses sources, y compris le soleil, appareils électroniques tels que les micro-ondes et les téléphones portables, lumière visible, rayons X, ondes gamma, ondes cosmiques, et la fission nucléaire, c'est ce qui produit de l'électricité dans les réacteurs nucléaires.

La plupart des rayonnements nocifs sont des "rayonnements ionisants" - ils ont une énergie suffisante pour éliminer les électrons des orbites des atomes environnants, les obligeant à être inculpés, ou "ionisé".

Ce sont ces particules chargées, ou des ions, que les détecteurs captent et quantifient, révélant l'intensité du rayonnement. La plupart des détecteurs actuels, cependant, ne sont pas seulement encombrants, avide de pouvoir, et cher, ils ne peuvent pas non plus capter de très faibles niveaux d'ions. Le détecteur de Kar et Yung Joon, d'autre part, est si sensible qu'il ne peut capter qu'une seule particule chargée.

"Nos détecteurs sont de plusieurs ordres de grandeur plus sensibles en termes de faible signal qu'ils peuvent détecter, " dit Yung Joon, professeur agrégé au Département de génie mécanique et industriel. "Le nôtre peut détecter un ion, la limite fondamentale. Si vous pouvez détecter un seul ion, alors vous pouvez détecter tout ce qui est plus grand que cela."

Considérez un garde-frontière aux douanes américaines, dit Kar. Il ou elle utilise un compteur Geiger pour rechercher des matières nucléaires dans la cargaison d'un navire. Un tel matériau pourrait être caché à l'intérieur d'un conteneur en plomb, rendre les niveaux de rayonnement qui s'échappent trop bas pour que le compteur Geiger puisse les détecter, ou le gardien peut être à 100 mètres de la source, permettant à l'intensité du rayonnement de se dissiper avant qu'il n'atteigne le détecteur. "Cela signifie que le garde non seulement ne parvient pas à détecter la fuite, mais qu'il est également exposé à des rayonnements à des niveaux inconnus, " dit Kar. " En utilisant notre technologie, le gardien pourrait détecter des sources cachées à une distance de sécurité, ou même avec un drone."

Percée interdisciplinaire

Le détecteur ultrasensible développé à partir d'un partenariat interdisciplinaire unique entre Kar et Yung Joon, qui collaborent depuis plus de 10 ans. "Nous n'aurions pas fait cette découverte sans les contributions de chacun de nous, " dit Yung Joon.

L'expertise de Yung Joon est dans la nano-fabrication de carbone. Il travaille avec du graphène, un réseau infiniment mince plus solide que l'acier d'atomes de carbone étroitement entassés, et les nanotubes de carbone – des feuilles de graphène enroulées dans des tubes creux dont les parois ne font qu'un atome d'épaisseur.

Kar est spécialisé dans la physique sous-jacente des nanotubes de carbone et d'autres matériaux, y compris les propriétés de mécanique quantique qui décrivent leur conductance électrique.

"Quand une particule chargée se trouve à la surface d'un matériau, le matériau subit une petite modification de sa propriété électrique, " dit Kar. Sur un matériau volumineux, la particule affecte la surface mais le reste du matériau reste inchangé. Sur les nanotubes de carbone, qui ne sont essentiellement que des matériaux de surface en raison de leurs parois exceptionnellement minces, la particule modifie considérablement la conductance électrique totale du matériau. "Donc, l'effet de la particule devient beaucoup plus mesurable, " dit Kar.

Ji Hao, PhD'17, un étudiant en génie mécanique dans le laboratoire de Yung Joon, découvert par accident la sensibilité des nanotubes de carbone aux particules chargées en testant les nanotubes à l'intérieur d'un manomètre à vide. Il a été intrigué par les changements dans la résistance électrique des nanotubes lorsqu'il a allumé et éteint la jauge. "Il pensait qu'il avait un circuit dysfonctionnel qui provoquait les changements, " dit Kar. " Il ne savait pas à l'époque que la petite quantité d'ions libérés par la jauge pouvait affecter de manière mesurable les propriétés électriques des nanotubes de carbone. Croyez-le ou non, au début, il a essayé très fort de se débarrasser des changements."

Ayant développé la technologie des détecteurs, la paire se concentre maintenant sur la construction de prototypes de détecteurs pour les différents types de rayonnement pertinents pour des disciplines particulières, y compris les rayons X et les particules bêta. Dans le processus, ils explorent la commercialisation de leur invention avec un prix de la National Science Foundation. « Cela nous permettra d'identifier des clients potentiels pour tous les produits que nous pourrions construire, " dit Kar.

Yung Joon ajoute :"Notre objectif est d'apprendre le type de mesures dont chaque arène spécifique a besoin."