Record du monde battu pour le détecteur de rayons X le plus fin jamais créé

Des scientifiques australiens ont utilisé des nanofeuilles de monosulfure d’étain (SnS) pour créer le détecteur de rayons X le plus fin jamais fabriqué, permettant potentiellement une imagerie en temps réel de la biologie cellulaire.

Les détecteurs de rayons X sont des outils qui permettent de reconnaître visuellement ou électroniquement l’énergie transportée par rayonnement, comme l’imagerie médicale ou les compteurs Geiger.

Le SnS s’est déjà révélé très prometteur en tant que matériau à utiliser dans le photovoltaïque, les transistors à effet de champ et la catalyse.

Aujourd’hui, les membres du Centre d’excellence de l’ARC en science Exciton, basé à l’Université Monash et à l’Université RMIT, ont montré que les nanofeuillets SnS sont également d’excellents candidats pour une utilisation en tant que détecteurs de rayons X mous.

Leurs recherches, publiées dans la revue Matériaux fonctionnels avancés, indique que les nanofeuillets SnS possèdent des coefficients d’absorption de photons élevés, ce qui leur permet d’être utilisés dans la fabrication de détecteurs de rayons X mous ultrafins avec une sensibilité élevée et un temps de réponse rapide.

Ces matériaux se sont avérés encore plus sensibles qu’un autre candidat émergent (les pérovskites aux halogénures métalliques), offrant un temps de réponse plus rapide que les détecteurs établis et sont réglables pour la sensibilité dans la région des rayons X mous.

Les détecteurs de rayons X SnS créés par l’équipe ont une épaisseur inférieure à 10 nanomètres. Pour mettre les choses en perspective, une feuille de papier a une épaisseur d’environ 100 000 nanomètres et vos ongles poussent d’environ un nanomètre par seconde. Auparavant, les détecteurs de rayons X les plus fins créés mesuraient entre 20 et 50 nanomètres.

Un travail considérable reste à faire pour explorer le plein potentiel des détecteurs de rayons X SnS, mais le professeur Jacek Jasieniak du Département de science et génie des matériaux de Monash, l’auteur principal de l’article, pense qu’il est possible que cela puisse un jour conduire à une imagerie en temps réel de processus cellulaires.

« Les nanofeuilles SnS répondent très rapidement, en quelques millisecondes », a-t-il déclaré.

« Vous pouvez numériser quelque chose et obtenir une image presque instantanément. Le temps de détection dicte la résolution temporelle. En principe, étant donné la sensibilité élevée et la résolution temporelle élevée, vous pourriez être en mesure de voir les choses en temps réel.

« Vous pourrez peut-être l’utiliser pour voir les cellules lorsqu’elles interagissent. Vous ne produisez pas seulement une image statique, vous pouvez voir des protéines et des cellules évoluer et se déplacer à l’aide de rayons X. »

Pourquoi des détecteurs aussi sensibles et réactifs sont-ils importants ? Les rayons X peuvent être largement divisés en deux types : Les rayons X « durs » sont le type utilisé par les hôpitaux pour analyser le corps à la recherche de fractures et d’autres maladies.

Peut-être moins connus mais tout aussi importants sont les rayons X « mous », qui ont une énergie photonique plus faible et peuvent être utilisés pour étudier les protéines humides et les cellules vivantes, un élément crucial de la biologie cellulaire.

Certaines de ces mesures ont lieu dans la « fenêtre d’eau », une région du spectre électromagnétique dans laquelle l’eau est transparente aux rayons X mous.

La détection des rayons X mous peut être effectuée à l’aide d’un Synchrotron, un accélérateur de particules comme le Large Hadron Collider en Suisse, mais l’accès à ce type d’infrastructure extrêmement coûteuse est difficile à sécuriser.

Les progrès récents des sources laser à rayons X mous non synchrotrons pourraient permettre de concevoir des systèmes de détection portables à moindre coût, offrant une alternative accessible aux synchrotrons pour les chercheurs du monde entier.

Mais pour que cette approche fonctionne, nous aurons besoin de matériaux détecteurs de rayons X mous qui sont très sensibles aux rayons X de faible énergie, offrent une excellente résolution spatiale et sont rentables.

Certains détecteurs de rayons X mous existants utilisent un mécanisme indirect, dans lequel le rayonnement ionisant est converti en photons visibles. Cette approche permet d’étudier plusieurs gammes d’énergie et fréquences d’images, mais est difficile à préparer et offre des résolutions limitées.

Les méthodes de détection directe sont plus faciles à préparer et offrent de meilleures résolutions, car le matériau du détecteur peut être plus fin que les approches indirectes.

Les bons matériaux candidats ont besoin d’un coefficient d’absorption des rayons X élevé, qui est calculé en utilisant le numéro atomique des atomes absorbants, l’énergie incidente des rayons X, la densité et la masse atomique d’un atome.

Les rayons X de masse atomique élevée et de faible énergie favorisent une absorption élevée, et les rayons X mous sont plus fortement absorbés dans les matériaux minces que les rayons X durs.

Les films de nanocristaux et les flocons ferromagnétiques se sont révélés prometteurs comme certains types de détecteurs de rayons X mous, mais ils ne sont pas bien équipés pour gérer la région de l’eau.

C’est là qu’interviennent les nanofeuillets SnS.

L’un des auteurs principaux, le Dr Nasir Mahmood de l’Université RMIT, a déclaré que la sensibilité et l’efficacité des nanofeuilles de SnS dépendent grandement de leur épaisseur et de leurs dimensions latérales, qu’il n’est pas possible de contrôler par les méthodes de fabrication traditionnelles.

L’utilisation d’une méthode d’exfoliation à base de métal liquide a permis aux chercheurs de produire des feuilles de grande qualité et de grande surface avec une épaisseur contrôlée, capables de détecter efficacement les photons de rayons X mous dans la région de l’eau. Leur sensibilité peut être encore améliorée par un processus d’empilement des couches ultrafines.

Ils représentent des améliorations majeures en termes de sensibilité et de temps de réponse par rapport aux détecteurs directs de rayons X mous existants.

Les chercheurs espèrent que leurs découvertes ouvriront de nouvelles voies pour le développement de détecteurs de rayons X hautement sensibles de nouvelle génération basés sur des matériaux ultrafins.

Le premier auteur, le Dr Babar Shabbir du Département de science et d’ingénierie des matériaux de Monash, a déclaré : « À long terme, pour commercialiser cela, nous devons tester un appareil à plusieurs pixels. À ce stade, nous n’avons pas le système d’imagerie. nous fournit une plateforme de connaissances et un prototype. »

Fourni par ARC Centre of Excellence in Exciton Science