10.11.2021 - Monash University

Weltrekord für den dünnsten Röntgendetektor aller Zeiten gebrochen

Neuer Detektor ist weniger als 10 Nanometer dick, hochempfindlich und reaktionsschnell und könnte eines Tages zur Echtzeit-Bildgebung in der Zellbiologie führen

Wissenschaftler in Australien haben Zinnmonosulfid (SnS)-Nanosheets verwendet, um den dünnsten jemals hergestellten Röntgendetektor zu entwickeln, der möglicherweise die Echtzeit-Abbildung der Zellbiologie ermöglicht.

Röntgendetektoren sind Hilfsmittel, die es ermöglichen, die von der Strahlung transportierte Energie visuell oder elektronisch zu erkennen, wie z. B. medizinische Bildgebung oder Geigerzähler.

SnS hat sich bereits als vielversprechendes Material für den Einsatz in der Photovoltaik, in Feldeffekttransistoren und in der Katalyse erwiesen.

Nun haben Mitglieder des ARC Centre of Excellence in Exciton Science, das an der Monash University und der RMIT University angesiedelt ist, gezeigt, dass SnS-Nanosheets auch hervorragende Kandidaten für den Einsatz als weiche Röntgendetektoren sind.

Ihre in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen, dass SnS-Nanosheets hohe Photonenabsorptionskoeffizienten besitzen, die es ermöglichen, ultradünne weiche Röntgendetektoren mit hoher Empfindlichkeit und schneller Reaktionszeit herzustellen.

Diese Materialien sind sogar noch empfindlicher als ein anderer aufstrebender Kandidat (Metallhalogenid-Perowskite), haben eine schnellere Reaktionszeit als etablierte Detektoren und können auf die Empfindlichkeit im gesamten Bereich der weichen Röntgenstrahlung abgestimmt werden.

Die von dem Team entwickelten SnS-Röntgendetektoren sind weniger als 10 Nanometer dick. Zum Vergleich: Ein Blatt Papier ist etwa 100.000 Nanometer dick, und Ihre Fingernägel wachsen jede Sekunde um einen Nanometer. Bislang waren die dünnsten Röntgendetektoren zwischen 20 und 50 Nanometer dick.

Es bleibt noch viel zu tun, um das volle Potenzial der SnS-Röntgendetektoren zu erforschen, aber Professor Jacek Jasieniak vom Monash Department of Materials Science and Engineering, der Hauptautor der Studie, hält es für möglich, dass dies eines Tages zu einer Echtzeit-Bildgebung von zellulären Prozessen führen könnte.

"Die SnS-Nanosheets reagieren sehr schnell, innerhalb von Millisekunden", sagte er.

"Man kann etwas scannen und erhält fast augenblicklich ein Bild. Die Abtastzeit bestimmt die Zeitauflösung. Angesichts der hohen Empfindlichkeit und der hohen Zeitauflösung könnte man prinzipiell in der Lage sein, Dinge in Echtzeit zu sehen.

"Man könnte dies nutzen, um Zellen zu sehen, während sie interagieren. Man erzeugt nicht nur ein statisches Bild, sondern man könnte mit Hilfe von Röntgenstrahlen sehen, wie sich Proteine und Zellen entwickeln und bewegen."

Warum sind solche empfindlichen und reaktionsschnellen Detektoren so wichtig? Röntgenstrahlen lassen sich grob in zwei Arten unterteilen: "Harte" Röntgenstrahlen werden in Krankenhäusern verwendet, um den Körper auf Knochenbrüche und andere Krankheiten zu untersuchen.

Weniger bekannt, aber ebenso wichtig sind "weiche" Röntgenstrahlen, die eine geringere Photonenenergie haben und zur Untersuchung von feuchten Proteinen und lebenden Zellen verwendet werden können, einer entscheidenden Komponente der Zellbiologie.

Einige dieser Messungen finden im "Wasserfenster" statt, einem Bereich des elektromagnetischen Spektrums, in dem Wasser für weiche Röntgenstrahlen transparent ist.

Die Erkennung weicher Röntgenstrahlen kann mit einem Synchrotron, einem Teilchenbeschleuniger wie dem Large Hadron Collider in der Schweiz, durchgeführt werden, aber der Zugang zu dieser sehr teuren Infrastruktur ist schwer zu bekommen.

Jüngste Fortschritte bei Nicht-Synchrotron-Laserquellen für weiche Röntgenstrahlung könnten die Entwicklung kostengünstiger, tragbarer Detektionssysteme ermöglichen, die Forschern auf der ganzen Welt eine zugängliche Alternative zu Synchrotrons bieten.

Damit dieser Ansatz funktioniert, benötigen wir jedoch Detektormaterialien für weiche Röntgenstrahlung, die hochempfindlich für niederenergetische Röntgenstrahlung sind, eine ausgezeichnete räumliche Auflösung bieten und kostengünstig sind.

Einige bestehende Detektoren für weiche Röntgenstrahlung verwenden einen indirekten Mechanismus, bei dem ionisierende Strahlung in sichtbare Photonen umgewandelt wird. Dieser Ansatz ermöglicht die Untersuchung mehrerer Energiebereiche und Bildfrequenzen, ist aber schwierig zu präparieren und bietet eine begrenzte Auflösung.

Direkte Nachweismethoden sind einfacher zu präparieren und bieten bessere Auflösungen, da das Detektormaterial dünner sein kann als bei indirekten Methoden.

Gute Kandidatenmaterialien benötigen einen hohen Röntgenabsorptionskoeffizienten, der anhand der Ordnungszahl der absorbierenden Atome, der einfallenden Röntgenenergie, der Dichte und der Atommasse eines Atoms berechnet wird.

Eine hohe Atommasse und Röntgenstrahlen niedriger Energie begünstigen eine hohe Absorption, und weiche Röntgenstrahlen werden in dünnen Materialien stärker absorbiert als harte Röntgenstrahlen.

Nanokristallfilme und ferromagnetische Flocken haben sich als vielversprechend für bestimmte Arten von Detektoren für weiche Röntgenstrahlung erwiesen, aber sie sind nicht gut für den Wasserbereich geeignet.

Hier kommen die SnS-Nanosheets ins Spiel.

Einer der Hauptautoren, Dr. Nasir Mahmood von der RMIT University, erklärte, dass die Empfindlichkeit und Effizienz von SnS-Nanosheets stark von ihrer Dicke und ihren seitlichen Abmessungen abhängt, die sich mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht kontrollieren lassen.

Mithilfe einer auf Flüssigmetall basierenden Exfoliationsmethode konnten die Forscher qualitativ hochwertige, großflächige Schichten mit kontrollierter Dicke herstellen, die weiche Röntgenphotonen im Wasserbereich effizient aufspüren können. Ihre Empfindlichkeit kann durch das Stapeln der ultradünnen Schichten weiter erhöht werden.

Im Vergleich zu bestehenden direkten Detektoren für weiche Röntgenstrahlung stellen sie eine erhebliche Verbesserung der Empfindlichkeit und Reaktionszeit dar.

Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse neue Wege für die Entwicklung hochempfindlicher Röntgendetektoren der nächsten Generation eröffnen, die auf ultradünnen Materialien basieren.

Erstautor Dr. Babar Shabbir vom Monash Department of Materials Science and Engineering sagte: "Langfristig müssen wir ein Gerät mit vielen Pixeln testen, um es zu kommerzialisieren. Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir das Bildgebungssystem noch nicht. Aber wir haben jetzt eine Wissensplattform und einen Prototyp".

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